灯丝电流磁场对电子枪束流品质的影响

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1、灯丝电流磁场对电子枪束流品质的影响宰EffectsofMagneficFieldofFilamentCurrentonBeamCurrentQualityofElectronGun北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室胡元枧左从进郭光耀竹鹏飞【摘要】在直热式电子枪中阴极灯丝电流将会产生磁场而影响电子运动轨迹。用一个简化模型来估算灯丝电流磁场导致束流产生的偏差,试验表明灯丝电流磁场确实影响了束流能量密度分布。把工程计算的结果与电子枪结构模拟的结果相比较所得结果是一致的。同时考虑灯丝加热电流跳动所

2、带来的影响,试验表明随时间变化的磁场导致束流能量密度分散,焊缝质量下降,而且无法依靠静态合轴来消除。关键词:直热式磁场能量密度工程计算IABSTRACTlIndirectlyheatedelectronguns,thecathodecurrentgeneratesamagneticfieldthatwillchangetrajectoriesofelectrons.Thedeflectionoftheelectronbeamcausedbyacathodemagneticfieldcanbeestima

3、tedwithanequivalentplanediodeanalyticalmodel.ItisshownthatsuchamagneticfieldreallyCallaffecttheprae—tiealoperatingcharacteristicsofanelectrongun.Theequa-tionssuggestedforengineeringcalculationagreewellwithresultsofcomputersimulationfortherealconstruction

4、ofathree-electrodegun.Itisshownthatamagneticfieldwhichchangeswithtimeleadstoadispersiveelectronbeamandcausesasubstantialdecreaseintheaccuracyofpositioningofthebeamontheobject,irremovablebythestaticalignmentofthedevice.Keywords:DirectheatingMagneticfieldE

5、n-ergydensityEngineeringcalculation随着电子束焊接技术发展,电子束焊接设备得到越来越广泛的推广和应用。现在大多数电子束焊接设备中阴极灯丝大都采用丝带状直热式加热,直热式结构简单、加工方便,灯丝加热电流从几安到几十安。但阴极灯丝加热电流产生的磁场将会影响从阴极发射出来的电子轨迹,V型丝带状灯丝产生的磁场呈面对状分布而非轴对称,从而打乱了电子光学系统的同轴性,导致阳极处虚拟截面畸变和束流会聚角的偏移。在偏移量不大的情况下,可以依靠电子枪电磁部分偏转系统来进行补偿。事实上影响

6、截面畸变和束流会聚角变化的因素不止一个,其中阴极灯丝加热电流跳动的影响很大,其原因主要是电源输出信号的过滤效果不好所引起的。当加热电流比较大时电流跳动的影响效果更明显,束流对光学轴的偏移角变化随截面尺寸减小而成比例的增大。阳极处虚拟截面大小的起伏不定导致束流能量密度和焊缝位置也周期性变化,这样很明显会影响到直热式电子枪的束流品质,从而影响到电子枪的性能参数和技术水平。因此定量估算阴极灯丝电流磁场对电子枪发射电子轨迹和束流能量密度分布所产生的影响就很有必要了。阴极灯丝电流磁场分布如图l所示。图1阴极灯丝电

7、流磁场分布示意图Rg.1Magneticfielddistributiondiagramofcathodefilamentcurrent1计算依据n1定义西(z)为电子枪z轴的电势,曰(z)为磁感应强度,方向沿y轴。电子横向速度方程可表示为:警』m屹B,(1)一=一y_凸I●l出。’’‘7这里屹=√2P咖是纵向速度(在阴极表面(Z=O)的电子初始能量被认为等于0o假定’,,《屹,电子轨迹偏移角肛w也可以用积分形式表示:脚=厮卜)dz。。㈩2010年第9期·航空制造技术8】定义三为阴阳极距离,在阳极13的

8、偏移就可表示为产A=工(D=Jp(z)dz。(3)2建立模型我们把电子枪内电场用等效平面二极管并考虑两种极端情况的模型来计算埘。(1)忽略空间电荷效应,并认为电场西(Z)=U(z,三)是均匀的,这里的U是阳极电势,£为阴阳极距离。(2)电子枪束流在空间电荷限制发射模式运行(合乎3/2法则五.c:蜀皂)以及妒(z)=U(z/L)们。直热式阴极磁场的空间分布主要取决于阴极结构设计。选用丝带状V型钨钽合金来作为阴极灯丝。这个模型中V型阴极沿枪中心

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