強(qiáng)流皮爾斯電子槍電子束聚焦系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)研究.pdf

1、注狀電子束的產(chǎn)生和穩(wěn)定傳輸涉及到微波電子學(xué)、等離子體電子學(xué)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、真空技術(shù)、材料科學(xué)等學(xué)科，對(duì)于應(yīng)用基礎(chǔ)研究是一個(gè)綜合性的問題。
　　用于真空熔煉設(shè)備中的強(qiáng)流皮爾斯電子槍，其工作過程包括電子束的產(chǎn)生、加速、聚焦和偏轉(zhuǎn)，聚焦系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用的關(guān)鍵之一。對(duì)于長(zhǎng)聚焦軸向皮爾斯電子槍來說，由于在熔煉中其具有可遠(yuǎn)離熔池而把陰極材料的污染降到最低、壽命長(zhǎng)、功率大、易操作等優(yōu)點(diǎn)，吸引了研究者的廣泛關(guān)注。目前對(duì)大功率電子槍聚焦系統(tǒng)的研

2、究設(shè)計(jì)還不是很系統(tǒng)，有待于進(jìn)一步研究，通過研究逐步改進(jìn)電子束質(zhì)量及材料特性，從而完善電子束加工工藝技術(shù)，擴(kuò)大電子束加工在工程實(shí)際中的應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)揮出電子束加工的最大優(yōu)勢(shì)。
　　強(qiáng)流電子光學(xué)系統(tǒng)主要包括電子槍和聚焦系統(tǒng)兩個(gè)部分，前者負(fù)責(zé)束的產(chǎn)生，后者負(fù)責(zé)束的聚焦，電子槍是電子束加工裝置中的核心部件，但如果沒有聚焦系統(tǒng)，由于在電子注內(nèi)部存在著很強(qiáng)的空間的電荷自身的排斥力——發(fā)散力，勢(shì)必將阻礙我們獲得所要求的電子注，因此必須設(shè)法克服這一

3、矛盾。利用磁場(chǎng)的會(huì)聚力來克服空間電荷的發(fā)散力，以此獲得所要求的電子注。
　　強(qiáng)流皮爾斯電子槍在電子束熔煉、電子束焊接等方面均有重要應(yīng)用，希望得到穩(wěn)定的、注狀分布的會(huì)聚效果良好的電子束。但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)強(qiáng)流皮爾斯電子槍的模擬設(shè)計(jì)研究還沒有涉及。論文工作從250kw強(qiáng)流電子束爐應(yīng)用的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)強(qiáng)流皮爾斯電子槍電子束聚焦系統(tǒng)進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)研究。分析和綜述了強(qiáng)流電子光學(xué)和強(qiáng)流電子光學(xué)電子束加工技術(shù)，利用粒子模擬軟件CST和電磁分析軟件A

4、nsys研究了強(qiáng)流皮爾斯電子槍電子束聚焦系統(tǒng)中電子束流通率和穩(wěn)定性問題，總結(jié)出一些具有實(shí)際意義的規(guī)律，包括:改變聚焦線圈的寬度和相對(duì)位置對(duì)電子束影響不大;改變聚焦線圈的厚度和電流值對(duì)電子束影響最大;皮爾斯電子槍陰極附近聚焦極的應(yīng)用極大地抑制了電流密度的增強(qiáng)效應(yīng)，提供穩(wěn)態(tài)的空間電荷限制電流值;皮爾斯電子槍陰極附近聚焦極厚度對(duì)電子束產(chǎn)生影響很大。
　　論文根據(jù)現(xiàn)有的電子槍設(shè)計(jì)方法，參考電子光學(xué)中光路系統(tǒng)的性質(zhì)，對(duì)強(qiáng)流電子槍聚焦系統(tǒng)進(jìn)行

5、理論計(jì)算，設(shè)計(jì)出大功率電子槍的聚焦系統(tǒng)，對(duì)一次聚焦和二次聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的的幾何參數(shù)優(yōu)化，通過對(duì)比及模擬等方法確定電子槍聚焦系統(tǒng)的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，在CST粒子工作室環(huán)境下，使用靜電、靜磁以及粒子求解器成功地對(duì)電子槍電子束聚焦系統(tǒng)進(jìn)行仿真。詳細(xì)分析了電子槍聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電子束質(zhì)量的影響，總結(jié)了適用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化強(qiáng)流皮爾斯電子槍電子束聚焦系統(tǒng)的規(guī)律:線圈寬度和相對(duì)位置的改變對(duì)聚焦磁場(chǎng)的影響很小，因此在寬度方向上電子注形狀保持的非常好;線圈厚度的改

6、變對(duì)聚焦磁場(chǎng)的影響大，采用浸沒式聚焦，影響粒子源發(fā)射，粒子能量高的粒子才能通過，但是數(shù)量太少，能量也小，不符合設(shè)計(jì)之初的要求。使用了Ansys軟件對(duì)CST軟件仿真下的聚焦系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，通過不同軟件得出仿真模擬結(jié)果的對(duì)比分析，進(jìn)一步證明了設(shè)計(jì)的可靠性和可行性，得出電子槍聚焦系統(tǒng)的參數(shù)特征，為實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。論文通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得了聚焦效果良好的系統(tǒng)。保證了第一次聚焦用以產(chǎn)生所需要的電子束束腰;保證了調(diào)節(jié)在熔池上的電子束徑的第二次聚