電子束轟擊爐電子槍磁偏掃系統偏轉線圈研究

萬冀杰 劉春東 張東輝 李常勝 石樹正

（1.河北省送變電公司；2.河北建筑工程學院，河北 張家口075024）

0 前 言

電子束經過磁聚焦以后，在到達待熔金屬之前還要經過偏轉掃描系統，其作用是使電子束按照一定的規律在待熔金屬上進行偏轉掃描，從而使電子束可以轟擊到待熔金屬上的任何一點.

1 磁場強度與偏轉角

磁偏轉磁場主要分為三種：一種是磁力線呈枕形分布，即枕形場（見圖1a），一種是磁力線呈桶形分布，即桶形場（見圖1b），還有一種磁力線是平行分布，此時的磁場分布類似于一個鐘形場分布（見圖2）.

圖1 兩種磁偏轉場的磁力線分布

圖2 均勻場的磁場分布

磁偏轉系統應保證轟擊到待熔金屬上的電子束的位置合理、功率分配均勻.電子束偏轉γ角所需的磁場強度

其中，γ為偏轉角；Ur為相對論修正后的加速電壓；a為偏轉磁場的寬度.

2 線圈安匝數與偏轉角

偏轉線圈的安匝數是磁偏轉系統的一個最重要參數，安匝數的大小體現了磁偏轉能力的強弱.確定安匝數時，已知的條件不同，求解公式也不同：

1）磁偏轉系統產生磁場強度所需的安匝數為式中，H為磁場強度，A／mm；C為偏轉板間距（即磁場的寬度），mm；λ為考慮鐵心、磁軛等損耗以及偏轉系統漏磁的修正系數，一般取1.5～2.

2）將式（1）代入式（2）中，就可以得到偏轉線圈的安匝數NI和偏轉角γ的關系

3 線圈具體繞制

將磁偏轉線圈按照各種不同方式繞制，就可以產生各種不同的場分布，其中常用的是按余弦法則進行線圈繞制［63］，可以獲得均勻磁場.下面具體描述線圈的余弦繞制法則.

圖3 均勻場線圈匝數分布

如圖3所示，線圈邊緣處（β＝0°）繞得最厚，然后按β角的余弦分布逐漸變薄.這種偏轉裝置可以在很大的偏轉角下工作，并能保持很好的線性.

磁環的另一半繞同樣的對稱繞組，這一對繞組產生的磁場強度為

其中，d—— 磁環內徑，mm.

如果在這個磁環上，再繞同樣一對繞組，相位相差90°就產生了Hx.這兩對繞組如果一對通上電流Isinωt，另一對通上，這樣就得到了圓掃描.

圖4 功率為60kW、加速電壓為20kV電子槍磁偏掃系統的結構模型圖

圖4 所示為采用SolidWorks繪制的功率為60 kW、加速電壓為20 kV電子束轟擊爐電子槍磁偏掃系統的結構模型圖.為使該系統形成的磁場為均勻磁場.現根據圖3所示，對線圈重新按照余弦法則繞制.

該系統要求偏轉角為13°，又已知：偏轉線圈內徑d＝60 mm，磁場區的長度l＝60 mm，修正后的加速電壓Ur＝20.4×103V，經計算可得偏轉線圈的安匝數NI＝88.7安匝，線圈匝數按余弦法則分布如表1所示：

繞組總匝數為

N＝15+2×（14+13+11+8+6）＝119匝則，繞組通電電流為

表1 偏轉線圈按余弦分布的具體繞制

另一半繞組也按照同樣的方法對稱繞制.因此，根據式（5），可得這對繞組產生的磁場強度為

磁偏轉系統偏轉線圈的安匝數確定之后，如果想要滿足不同偏轉角度的電子束偏轉，通常不會改變線圈匝數，而是通過改變線圈中的電流大小來實現.

4 結束語

通過利用余弦法則具體繞制功率為60kW、加速電壓為20kV電子束轟擊爐電子槍磁偏掃系統的偏轉線圈，使該系統獲得了均勻磁場.這樣，就可以更容易地了解和控制電子束在磁偏掃過程中的軌跡了.

［1］毛智勇.雙聚焦電子槍電子束焊接初探［J］.北京航空工業研究所，1995.8

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

［3］［蘇］Д.Л.布利里安托夫.高效磁偏轉系統的設計［M］.上海無線電二十七廠，1979.1

［4］［美］SolidWorks.Solidworks基本建模技術：零件與裝配體 ［M］.北京：清華大學出版社，2003.4