控制电子束高频偏转扫描的电磁系统仿真及设计

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1、洲哪其他控制电子束高频偏转扫描的电磁系统仿真及设计SimulationandDesignofElectromagnetismSystemforElectronBeamControlWithHighFrequencyScan!!苎王翼I：耋彗耋璺孽：[霎号!耋墅杨波代建辉左从进许海鹰高能束流加工技术重点实验室⋯⋯“。1⋯‘。⋯18【摘要】采用ANSYS模拟软件对多极靴偏转线圈结构及其参数进行了仿真，结果表明：极靴越多，线圈中间的空间磁场越均匀。综合考虑线圈的磁场分布、加工难度、制作成本等因素，设计了以铁氧体为磁芯材料的十二极靴偏转线圈，并检测了该

2、偏转线圈的高频响应特性，试验结果表明，所研制线圈可以在lOOkHz以上的高频工作。关键词：电子束偏转扫描电磁系统仿真【ABSTRACTlThestllJctIlreandparametersofthemultiple·-pole··shoedeflectingcoilaresimulatedwithAN··SYS．Andtheconsequenceofsmlationindicatesthatthemagneticfieldsinthecenterofcoilaremoresymmetricallydistributedwhilethenumb

3、erofpoleshoesisincreased．Tak-ingintoaccountthedistributionofmagneticfieldsofthecoil，di伍cultyofprocessesand蜘试c撕ngcost,thetwelve-pole·shoecoilwiththemagneticcoremadeofferriteisdesigned．Anditshighfrequencyresponsecharacteristested．Theresultshowsthatthedesignedcoilcanbeusedinthe

4、highfrequencysituationofmorethan100kHz．Keywords：ElectronbeamDeflectionscanEl—ectromagnetismsystemSimulationDoI：10．160800．issnl671-833x．2015．S1．087当前，电子束高频偏转扫描技术已得到了广泛应用n‘3】，如多束流焊接、电子束“毛化”、电子束表面合金化等。电子束高频偏转扫描加工技术的核心是利用了磁场产生的洛伦兹力对电子束作用。电子束垂直穿过高频变化的磁场时，可使电子束流在工件表面的不同位置以极高的频率进行切

5、换，由于材料的热惯性，通过束流与材料的相互作用，在这些位置就会同时产生冶金效果。电子束高频偏转扫描可精确控制电子束输入能量，提高加工质量。国外一些著名电子束加工设备研制单位CVE、}科技重大专项(2010ZX04007—041)资助。TwI、PTR等均对高频电子束偏转扫描技术进行了深入研究，其中德国SST所研制的电子束偏转扫描控制系统的频率已经达到了200kHz。相对而言，国内对电子束偏转扫描控制技术的研究还不够深入。受到所选用电路、偏转线圈结构材料的限制，目前国内所研制偏转扫描电路的工作频率徘徊在lkHz，偏转角．4-3。左右。偏转线圈作为扫

6、描电源的负载，其高频响应特性直接影响了扫描系统的性能，因此根据高频偏转扫描系统的需求，对多极靴线圈结构进行仿真，以获得能够高频响应且磁场均匀的线圈结构。1偏转线圈仿真1．1磁芯材料选择偏转线圈是电子束高频偏转扫描系统的最终负载，也是直接影响系统性能的关键因素，其磁场的分布对束流的偏转效果影响很大，因此，需要对它的结构和特性进行深入的研究。偏转线圈工作时，随着扫描频率的提高，将引起铜线和磁芯中的能量损耗增大、工作温度上升，这会导致偏转线圈所用材料、元件的绝缘性能降低；温度升高，反过来又使磁芯损耗增大，从而对电磁性能产生不利的影响；当温度上升到磁性

7、材料的居里点时，磁导率迅速下降将导致偏转失效【4】。因此，磁性材料的选择是否优越对以偏转线圈为负载的扫描系统能否达到高频具有重要意义。与坡莫合金、磁粉材料相比，铁氧体磁芯最大的特点是具有较高的电阻率，可以最大限度抑制涡流的产生，这使得铁氧体磁性材料在高频领域有着广泛的应用空间。铁氧体磁芯高频耗损低，具有满足偏转线圈要求的磁导率和磁饱和¨】，因此选用铁氧体磁芯作为偏转线圈的磁芯。1．2偏转线圈结构及其参数选择为了获得均匀性较好的磁场，考虑采用多极靴结构的线圈。多极靴结构是在双极靴结构的基础上，参考其他行业的线圈结构(定子线圈)提出的一种可提高其产

8、生磁场均匀性的结构方式瞪】，其中极靴是放置在磁极处2015年增刊s1·航空制造技术87其他oTHERs用来约束磁束的分布及改变其流向的磁性材料。图l是