電子束轟擊爐電子槍磁偏掃系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)線圈研究

萬(wàn)冀杰 劉春東 張東輝 李常勝 石樹(shù)正

（1.河北省送變電公司；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075024）

0 前 言

電子束經(jīng)過(guò)磁聚焦以后，在到達(dá)待熔金屬之前還要經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)，其作用是使電子束按照一定的規(guī)律在待熔金屬上進(jìn)行偏轉(zhuǎn)掃描，從而使電子束可以轟擊到待熔金屬上的任何一點(diǎn).

1 磁場(chǎng)強(qiáng)度與偏轉(zhuǎn)角

磁偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)主要分為三種：一種是磁力線呈枕形分布，即枕形場(chǎng)（見(jiàn)圖1a），一種是磁力線呈桶形分布，即桶形場(chǎng)（見(jiàn)圖1b），還有一種磁力線是平行分布，此時(shí)的磁場(chǎng)分布類似于一個(gè)鐘形場(chǎng)分布（見(jiàn)圖2）.

圖1 兩種磁偏轉(zhuǎn)場(chǎng)的磁力線分布

圖2 均勻場(chǎng)的磁場(chǎng)分布

磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)應(yīng)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(zhuǎn)γ角所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度

其中，γ為偏轉(zhuǎn)角；Ur為相對(duì)論修正后的加速電壓；a為偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的寬度.

2 線圈安匝數(shù)與偏轉(zhuǎn)角

偏轉(zhuǎn)線圈的安匝數(shù)是磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的一個(gè)最重要參數(shù)，安匝數(shù)的大小體現(xiàn)了磁偏轉(zhuǎn)能力的強(qiáng)弱.確定安匝數(shù)時(shí)，已知的條件不同，求解公式也不同：

1）磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度所需的安匝數(shù)為式中，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，A／mm；C為偏轉(zhuǎn)板間距（即磁場(chǎng)的寬度），mm；λ為考慮鐵心、磁軛等損耗以及偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)漏磁的修正系數(shù)，一般取1.5～2.

2）將式（1）代入式（2）中，就可以得到偏轉(zhuǎn)線圈的安匝數(shù)NI和偏轉(zhuǎn)角γ的關(guān)系

3 線圈具體繞制

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

圖3 均勻場(chǎng)線圈匝數(shù)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(zhuǎn)裝置可以在很大的偏轉(zhuǎn)角下工作，并能保持很好的線性.

磁環(huán)的另一半繞同樣的對(duì)稱繞組，這一對(duì)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

其中，d—— 磁環(huán)內(nèi)徑，mm.

如果在這個(gè)磁環(huán)上，再繞同樣一對(duì)繞組，相位相差90°就產(chǎn)生了Hx.這兩對(duì)繞組如果一對(duì)通上電流Isinωt，另一對(duì)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型圖.為使該系統(tǒng)形成的磁場(chǎng)為均勻磁場(chǎng).現(xiàn)根據(jù)圖3所示，對(duì)線圈重新按照余弦法則繞制.

該系統(tǒng)要求偏轉(zhuǎn)角為13°，又已知：偏轉(zhuǎn)線圈內(nèi)徑d＝60 mm，磁場(chǎng)區(qū)的長(zhǎng)度l＝60 mm，修正后的加速電壓Ur＝20.4×103V，經(jīng)計(jì)算可得偏轉(zhuǎn)線圈的安匝數(shù)NI＝88.7安匝，線圈匝數(shù)按余弦法則分布如表1所示：

繞組總匝數(shù)為

N＝15+2×（14+13+11+8+6）＝119匝則，繞組通電電流為

表1 偏轉(zhuǎn)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(duì)稱繞制.因此，根據(jù)式（5），可得這對(duì)繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)線圈的安匝數(shù)確定之后，如果想要滿足不同偏轉(zhuǎn)角度的電子束偏轉(zhuǎn)，通常不會(huì)改變線圈匝數(shù)，而是通過(guò)改變線圈中的電流大小來(lái)實(shí)現(xiàn).

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)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(tǒng)的偏轉(zhuǎn)線圈，使該系統(tǒng)獲得了均勻磁場(chǎng).這樣，就可以更容易地了解和控制電子束在磁偏掃過(guò)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(yè)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(zhuǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［M］.上海無(wú)線電二十七廠，1979.1

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