高精度电子束偏转系统优化建立与仿真研究.pdf

真空VACUUM高精度电子束偏转系统优化建立与仿真研究贾子朝1,2，郭志伟1,2，高学林1（1.核工业理化工程研究院，天津300180；2.粒子输运与富集技术全国重点实验室，天津300180）摘要：电子束的高精度传输控制对于确保电子枪在金属熔炼、蒸发镀膜及电子束焊接等领域的可靠应用具有重要意义。针对电子束在金属物料蒸发环境中的传输控制技术开展研究，基于 CST 粒子仿真分析软件建立了 30 kV 电子束偏转模型，分析了偏转装置结构及位置参数变化对电子束分布的影响规律，通过仿真设计优化得到了满足需求的电子束偏转控制参数与结构。试验验证表明该结构下的电子束传输轨迹可控，建立的 30 kV 电子束偏转系统满足要求。关 键 词：电子束传输；CST 仿真；偏转装置优化中图分类号：TF134文献标识码：A文章编号：1002-0322（2024）02-0047-06doi：10.13385/ki.vacuum.2024.02.08Optimization and Simulation of High-precision Electron Beam Deflection SystemJIA Zi-zhao1,2,GUO Zhi-wei1,2,GAO Xue-lin1（1.Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry,Tianjin 300180,China;2.National Key Laboratory of Particle Transport and Separation Technology,Tianjin 300180,China）Abstract：High-precision transmission control of electron beams is important to ensure reliable applications of electron guns inmetal melting,evaporation coating,and electron beam welding.The transmission control technology of electron beams in theevaporation environment of metal materials was studied,and a 30 kV electron beam deflection model was established based on CSTparticle simulation analysis software.The influence of the structure and position parameters of the deflection device on thedistribution of electron beam was analyzed,and the control parameters and structure of the electron beam deflection that meet therequirements were obtained through simulation design optimization.The test results show that the electron beam transmissiontrajectory under the optimized structure is controllable,and the established 30 kV electron beam deflection system meets therequirements.Key words：electron beam transmission;CST simulation;optimization of the deflection device收稿日期：2023-09-19作者简介：贾子朝（1992-），男，内蒙古赤峰人，本科，工程师。电子束是由电子枪发射的高能电子束流，其能量密度可达109W/cm2以上，在极短的时间内几乎能够实现所有已知金属的熔化和蒸发1-3。同时电子束具备工作过程污染小、控制性强等特点，在难熔金属冶炼、金属材料蒸发镀膜等行业得到了广泛应用4-6。电子束用于蒸发镀膜时，为减轻阳离子回轰对电子枪阴极的损伤，减少放电打火概率，电子枪一般布置在与坩埚呈 90或 180的位置，并且通常会设置一个偏转系统用于控制电子束的偏转7，使电子枪阴极发出的直线传输的电子束偏转 90或180后轰击至坩埚内的物料。针对某些特种金属材料的蒸发镀膜，当需要精准控制蒸气流形状，确保蒸发金属不会无规则地逸散时，一般采用特定形状的屏蔽罩对蒸气流进行限形、约束（图 1）。由于电子束的轰击能量极高，已知的材料几乎都不能直接承受电子束的轰击，这就决定了工作时必须确保电子束不会轰击到限形屏蔽罩。-30 kV图 1一种电子束蒸发原理示意Fig.1Schematic diagram of an electron beam evaporation principle第 61 卷第 2 期2024年3月Vol.61，No.2Mar.2024真空VACUUM第 61 卷电子束的偏转一般通过控制磁场对电子束的约束实现8-12，磁场的产生来源于电磁线圈，通过调节电磁控制参数，改变传输路径上磁场的大小和分布，最终实现电子束按照特定轨迹轰击坩埚内的物料。电子束偏转系统包括螺旋电磁线圈和两个极靴板，两个极靴板分别与螺旋线圈的两端相连，将线圈产生的磁场引入到极靴当中，从而在极靴板相对的空间区域形成磁场，并构成整个磁场的闭合13-14。本文主要基于使用过程中电子束轰击限形屏蔽罩以及入射坩埚角度不理想的实际问题，针对电子束的偏转系统开展研究，通过理论计算和试验验证的方法，结合限形屏蔽罩的结构限制设计了新的偏转极靴结构，合理调整了偏转磁场的大小和分布，达到了精准控制电子束传输轨迹，使其顺利通过限形屏蔽罩以及垂直入射坩埚的目的。1电子与磁场互作用理论带 电 粒 子 在 磁 场 中 会 受 到 洛 伦 兹 力 的 作用15-16。洛伦兹力的大小为f=Bqvsin（1）式中：B 为磁感应强度的大小，q 为带电粒子的电量，v 为带电粒子运动的速度大小，为矢量 B 和v 的夹角。如图 2 所示，带电粒子只在洛伦兹力的作用下运动，并且它进入磁场的初速度 v 和磁感应强度 B 的方向相互垂直时，洛伦兹力提供向心力使其做匀速圆周运动。图 2电子在磁场中的运动轨迹Fig.2Trajectory of electrons in a magnetic field对于电子来说，有qvB=mv2R（2）R=mvqB（3）式中：m 为电子质量，R 为电子束偏转半径。对于偏转角 有：=arcsinaR（4）式中：a 为磁场区域的长度。最终得到电子运动的偏移量为r=R-R2-a2（5）2电子束偏转传输模型建立使用 CST 粒子工作室建立所需的电子束传输模型，CST 粒子工作室主要应用于电真空器件、高功率微波管、粒子加速器等领域17-20，用于电磁线圈、磁约束、等离子体等带电粒子与电磁场互作用下的仿真分析。2.1模型建立基于现有的电子枪三维模型及电子束偏转装置模型，在 CST 中按照实际的电子枪结构参数建立模型。建模过程中，设定 z 方向为电子枪阴极发射电子束的方向，以垂直阴极面背后 3 mm为原点，设置电压、发射面、发射密度等参数，同时设定电子枪和熔池液面的结构及间距为固定值，极靴板、电子束通道和屏蔽罩根据现有装置进行设定。设定一虚拟截面代表坩埚熔池液面，并设定 2 个虚拟截面代表屏蔽罩的入口截面和回流狭缝，最终的模型建立结果如图 3 所示（右侧虚线结构为偏转装置）。理想的电子束轨迹应能够水平通过屏蔽罩的入口截面和回流狭缝两个位置，最终轰击至坩埚熔池的中心位置。图 3电子束传输模型Fig.3Electron beam transmission model2.2模型分析在建立的仿真模型中，施加与实际工况设定一致的电子枪电磁控制参数（包括偏转电流与辅偏电流）。为了确保电子束对金属材料的加热效率，建模过程中电子束开启竖直方向扫描，确保电子束轰击坩埚内的扫描路径长度，最终得到电子束的传输轨迹如图 4 所示，各个监测界面的电子分布如图 5、图 6 所示。48第 2 期贾子朝，等：高精度电子束偏转系统优化建立与仿真研究图 4仿真模型下电子束传输轨迹Fig.4Electron beam transmission trajectory in the simulation model从图 5 可以看出，入口截面和坩埚熔池液面的电子分布均表现正常，说明在现有结构下，电子束可通过入口截面偏转轰击至坩埚熔池液面。同时图 6 显示，辅助监测面有较多电子分布，而回流狭缝界面仅有少量电子，说明电子束偏转过程中与屏蔽罩出现了干涉，会有较多电子轰击屏蔽罩，回流狭缝的通过率较低。图 5仿真模型下入口截面与坩埚熔池的电子分布图Fig.5Electron distribution of inlet section(a)and crucible moltenpool(b)in the simulation model3偏转模型优化设计及建立上述仿真模型存在入射角度不理想以及轰击屏蔽罩等现象。由于限形屏蔽罩的结构一般是为了获得特定形状的蒸气流而设计的，不能改变，为了保证电子束对金属材料的有效蒸发量，确保屏蔽罩的正常使用寿命，应基于限形屏蔽罩的结构，合理、精准地控制电子束传输，避免电子束在传输过程中与限形屏蔽罩干涉。图 6仿真模型下回流狭缝与前沿辅助监测面电子分布图Fig.6Electronic distribution diagram of reflux slit(a)and leadingedge auxiliary monitoring surface(b)in the simulation model多个不同偏转电流与辅偏电流下电子束轨迹的仿真计算结果如表 1 所示。可以看出，现有偏转模型下通过调节偏转电流与辅偏电流等电磁控制参数，很难同时实现电子束不轰击限形屏蔽罩、垂直入射坩埚以及坩埚内扫描长度达标的目的。表1现有模型下电磁控制参数变化对传输轨迹的影响Table 1Influence of electromagnetic control parameterson transmission trajectories under existing model序号12345主偏电流/A0.70.760.80.820.9辅偏电流/A（控制电子束向上偏转）1.021.141.231.31.4是否轰击屏蔽罩是否否否是入射坩埚角度/（）70858993不能入射坩埚内扫描长度满足满足不满足不满足不满足分析电子束的偏转控制参数可知，辅偏电流直接施加在辅偏线圈上产生辅偏磁场，而辅偏线圈是电子枪的组成部分，一般无法改变，因此只 49真空VACUUM第 61 卷能通过改变偏转磁场达到控制电子束传输轨迹的目的。偏转磁场由偏转线圈产生，并通过导磁性较高的极靴板限定偏转磁场的分布，最终的偏转磁场分布及大小主要由极靴板决定。（1）极靴板结构优化分析电子束的传输轨迹发现，现有结构下电子束的过早偏转是造成电子束轰击屏蔽罩的主要原因，因此需要对偏转磁场的分布和大小开展优化。为了改善电子束进入磁场区域的磁场分布，对原有正方形极靴板进行了结构优化，如图7 所示。图 7极靴板结构优化Fig.7Structure optimization of pole shoe plate分别计算不同极靴板结构（V0、T0取不同值）下的电子束传输轨迹。对比发现，T0、V0取值越小，电子束提前偏转的幅度越小，但 T0、V0取值过小时会导致电子束轰击坩埚的角度不够理想。经过大量计算，发现 V0=-25 mm、T0=-50 mm 时，电子束水平传输效果最佳，既能确保电子束不会过早发生偏转，又能保证电子束近似垂直入射轰击坩埚。因此，取 V0=-25 mm、T0=-50 mm 作为优化后的极靴板结构参数。（2）极靴板位置优化极靴板与电子枪的相对位置同样会影响电子束的传输，计算发现，当极靴板中心处于坩埚中心后方时，偏转轨迹和入射角度更优，最终取极靴板中心处于坩埚后方 25 mm。优化后的仿真电子束轨迹如图 8 所示，电子分布如图 9、图 10 所示。可以看出，在对主偏磁场极靴的形状和位置优化，并给定合适的偏转电流和辅偏电流参数后，得到的电子束轨迹与前沿辅助监测面不存在干涉，说明传输过程中通过入口 截 面 的 电 子 束 不 会 轰 击 屏 蔽 罩，基 本 能 够100%通过屏蔽罩的回流狭缝，并且电子束能够按照接近 90的入射角到达坩埚中心位置，达到了预期的研究目标。图 8优化后电子束入射轨迹Fig.8Electron beam transmission trajectory after optimization优化后入口截面、坩埚熔池液面和回流狭缝界面的电子分布计算结果如图 9 和图 10 所示。图 9优化后入口截面与坩埚熔池的电子分布Fig.9Electron distribution of inlet section(a)and crucible moltenpool(b)after optimization图 10优化后回流狭缝界面的电子分布Fig.10Electron distribution at the interface of the reflux slit afteroptimization 50第 2 期贾子朝，等：高精度电子束偏转系统优化建立与仿真研究4试验验证对以上优化设计进行实物加工（图 11），并进行试验验证。（a）优化后极靴组件结构（b）极靴板实物组装图图 11优化后极靴组件设计方案与极靴板实物Fig.11Design scheme of pole shoe assembly(a)and actual poleshoe plate(b)after optimization设计了专门的监测工装，在入口截面、回流狭缝及坩埚液面位置放置 4 块监测钼板，通过测量电子束轰击钼板的印记大小判定电子束的传输轨迹，如图 12 所示。其中，1#3#监测板竖直放置，1#监测板对应屏蔽罩入口截面，3#监测板对应回流狭缝前端的辅助监测界面，2#监测板位于 1#和 3#监测板中间，均以坩埚液面高度为零点位置，4#监测板水平放置，对应坩埚液面。图 12加装监测工装的偏转装置及试验现场Fig.12Deflection device for monitoring tooling andthe experimental site按上述方案开展多次试验验证，5 组不同电磁参数下的束斑印记测试结果如表 2 所示，试验轨迹的拟合结果见图 13。监测面1#2#3#4#轨迹长度合格范围/mm1702101402030试验轨迹长度/mm第1组17519517019816525第2组17719617120016826第3组17319816920116328第4组16720116420515933第5组16820016620316031表2实际验证结果Table 2Actual verification results图 13第一组试验实测轨迹拟合结果Fig.13Measured trajectory fitting result in the first test实际验证结果表明，在特定的电磁参数下，在满足坩埚液面束斑长度合格的前提下，电子束可以经过偏转装置偏转后，通过屏蔽罩的入口截面和回流狭缝垂直入射坩埚熔池，而不会轰击屏蔽罩。5结论依据现有电子枪结构参数和偏转装置的结构尺寸，建立了带偏转的电子束传输仿真模型，仿真过程设定监测面对电子分布进行监测，量化了电子束的传输轨迹，更加直观准确。针对实际条件下电子束轰击限形屏蔽罩的现象，仅通过调节电磁参数不能获得理想的电子束轨迹，须对偏转装置结构开展相应的优化。通过结构仿真设计优化得到了新的偏转装置模型。试验验证结果表明优化方案具有可行性，新的偏转控制模型下，通过给定合适的电磁控制参数，实现了电子束不轰击屏蔽罩、电子束垂直入射坩埚以及坩埚内束斑长度达标的目的。参考文献1卢儒学,刘海浪,王小宇,等.电子束熔覆技术的研 51真空VACUUM第 61 卷究现状与发展J.热加工工艺,2022,51(8):15-19.2许世娇,权纯逸,杨堃,等.金属增材制造技术在航空领域的应用现状及前景展望J.粉末冶金工业,2022,32(3):9-17.3李宏新,李阳,余业锋,等.电子束选区熔化成形工艺与组织模拟J.电加工与模具,2021(增刊 1):5-15.4PARKER R K,ABRAMS R H,DANLY B G,et al.VacuumelectronicsJ.IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques,2002,50(3):835-845.5陈荣发.电子束蒸发与磁控溅射镀铝的性能分析研究J.真空,2003(2):11-15.6张秉刚,吴林,冯吉才.国内外电子束焊接技术研究现状J.焊接,2004(2):5-8.7廖燕,贾宝富,罗正祥.轴对称收敛型电子枪设计方法再讨论J.强激光与粒子束,2005,17(3):427-430.8WANG S Z,RUAN C J,ZHONG Y.The design of W-band extended interaction klystron electron optics systemC/IVEC 2012.Monterey,CA:IEEE,2012.9YUAN X S,ZHANG Y,YANG H,et al.A gridded highcompression-ratio carbon nanotube cold cathode electrongunJ.IEEE Electron Device Letters,2015,36(4):399-40110 陶振凯,狄杰建,赵玉侠.基于 60 kV/6 kW 电子枪的15 kW 电子枪的研制J.焊接技术,2014,43(12):41-43.11 王德.空间电子束焊枪电子光学系统的设计D.兰州:兰州理工大学,2004.12 殷勇,刘海敬,陈玲,等.高电流密度实心电子束均匀磁场聚焦电子枪的设计J.真空科学与技术学报,2014,34(2):148-152.13 孙博彤,殷伯华,王鹏飞,等.电子束增材制造聚焦消像散控制技术研究J.热加工工艺,2022,51(21):117-126.14 王永杰.大功率电子枪电子束形成系统的设计研究D.沈阳：东北大学,2011.15 READ M E,JABOTINSK I V,MIRAM G,et al.Design ofa girded gun an PRM-focusing structure for a high-powersheet electron beamJ.IEEE Transactions on PlasmaScience,2005,33(2):647-653.16 张秉刚,赵健,冯吉才.电子束表面合金化研究进展J.焊接学报,2011,32(11):108-112.17 周广德,林达.电子束焊接装置用电子光学系统的设计与分析J.焊接学报,1981(4):162-170.18 王东辉,陈振华,王少刚.铝锂合金电子束焊接数值模拟分析及工艺优化J.材料开发与应用,2020,35(1):58-67.19 桑兴华,许海鹰,左从进,等.电子枪束源部件结构尺寸对束流品质影响的 CST 仿真J.航空制造技术,2017(9):60-64.20WEI Y X,HUANG M G,LIU S Q,et al.Numerialsimulation of TWT electron gunJ.Vacuum,2013,92:90-94.52