強流皮爾斯電子槍電子束聚焦系統(tǒng)模擬設計研究.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、等離子體電子學、電磁場與微波技術(shù)、真空技術(shù)、材料科學等學科，對于應用基礎研究是一個綜合性的問題。
　　用于真空熔煉設備中的強流皮爾斯電子槍，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)是實現(xiàn)其應用的關鍵之一。對于長聚焦軸向皮爾斯電子槍來說，由于在熔煉中其具有可遠離熔池而把陰極材料的污染降到最低、壽命長、功率大、易操作等優(yōu)點，吸引了研究者的廣泛關注。目前對大功率電子槍聚焦系統(tǒng)的研

2、究設計還不是很系統(tǒng)，有待于進一步研究，通過研究逐步改進電子束質(zhì)量及材料特性，從而完善電子束加工工藝技術(shù)，擴大電子束加工在工程實際中的應用領域，發(fā)揮出電子束加工的最大優(yōu)勢。
　　強流電子光學系統(tǒng)主要包括電子槍和聚焦系統(tǒng)兩個部分，前者負責束的產(chǎn)生，后者負責束的聚焦，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)部存在著很強的空間的電荷自身的排斥力——發(fā)散力，勢必將阻礙我們獲得所要求的電子注，因此必須設法克服這一

3、矛盾。利用磁場的會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用，希望得到穩(wěn)定的、注狀分布的會聚效果良好的電子束。但現(xiàn)在國內(nèi)對強流皮爾斯電子槍的模擬設計研究還沒有涉及。論文工作從250kw強流電子束爐應用的實際需求出發(fā)，對強流皮爾斯電子槍電子束聚焦系統(tǒng)進行了模擬設計研究。分析和綜述了強流電子光學和強流電子光學電子束加工技術(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)出一些具有實際意義的規(guī)律，包括:改變聚焦線圈的寬度和相對位置對電子束影響不大;改變聚焦線圈的厚度和電流值對電子束影響最大;皮爾斯電子槍陰極附近聚焦極的應用極大地抑制了電流密度的增強效應，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電子束產(chǎn)生影響很大。
　　論文根據(jù)現(xiàn)有的電子槍設計方法，參考電子光學中光路系統(tǒng)的性質(zhì)，對強流電子槍聚焦系統(tǒng)進行

5、理論計算，設計出大功率電子槍的聚焦系統(tǒng)，對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電子槍電子束聚焦系統(tǒng)進行仿真。詳細分析了電子槍聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對電子束質(zhì)量的影響，總結(jié)了適用于設計和優(yōu)化強流皮爾斯電子槍電子束聚焦系統(tǒng)的規(guī)律:線圈寬度和相對位置的改變對聚焦磁場的影響很小，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、變對聚焦磁場的影響大，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，不符合設計之初的要求。使用了Ansys軟件對CST軟件仿真下的聚焦系統(tǒng)進行了驗證，通過不同軟件得出仿真模擬結(jié)果的對比分析，進一步證明了設計的可靠性和可行性，得出電子槍聚焦系統(tǒng)的參數(shù)特征，為實際設計應用提供參考。論文通過優(yōu)化設計，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