真空电子束熔炼炉电子枪偏转机构的设计与仿真

论文摘要

由于航天航空、原子能、自动化等尖端科技的发展,高端材料的需求对冶炼设备提出了更高的要求。相对于其他的冶炼设备来说,真空电子束熔炼炉可以提供更高能量密度的热源,而且在冶炼过程中,真空环境有利于材料脱气的顺利进行。进而获得高纯度的金属及合金。电子束熔炼炉的核心技术在于对电子束偏转角度和束斑直径的控制。而这些控制都是建立在偏转磁场均匀分布基础之上的。磁场分布的均匀性越好,电子束束斑直径才能越小,这个也是本文的研究目的所在。本文以250KW电子束熔炼炉为研究目标。通过对偏转磁场的分布理论、磁场的分布规律与线圈结构之间的关系、均匀磁场的获得理论以及电子束图形扫描理论的研究,深刻理解了原偏转结构的设计思路,为下一步的仿真和分析奠定了基础。本文使用CST软件对电子枪及其偏转机构进行建模、仿真、分析。通过模拟和分析线圈匝数、线圈中电流、偏转线圈形状等参数与磁感线分布的关系可知：随着偏转线圈的张角系数的减小,磁感线分布的均匀性逐渐变好。二次聚焦线圈的焦距对电子束的偏转和束斑直径也有影响。焦距越短,电子束束斑直径越小,但电子束截面直径变化也越剧烈；焦距越长,束斑直径相对较大,但电子束截面直径变化很小。鞍形线圈中的电流的大小对偏转磁场分布的均匀性也存在影响,但影响很小,可以忽略。通过上边的模拟和仿真结果可以看出,线圈的偏转角度和电子束束斑直径与线圈的张角系数、二次聚焦线圈的焦距存在密切的关系,原偏转线圈的结构的电子束的偏转角度为450,二次聚焦的焦点在聚焦线圈的中间位置,通过上面的分析可以看出：为使束斑直径保持的更好,减小偏转线圈的张角系数；为保证电子束的最大的偏转角度,可以适当增加二次聚焦线圈的焦距,因此可得：在电子束在偏转角度不变的情况下,调整结合张角系数和二次聚焦的焦距,可以使电子束束斑的直径保持的更好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究内容和手段
• 1.3.1 实验手段和内容
• 1.3.2 计算机模拟
• 1.4 课题来源及研究内容
• 第2章 电子枪及其应用
• 2.1 电子枪简介
• 2.2 电子枪的构成和基本原理
• 2.3 电子光学基本原理
• 2.3.1 电子在电场中的运动
• 2.3.2 电子在电场中的运动
• 2.4 电子枪的基础理论
• 2.4.1 阴极
• 2.4.2 电子枪聚集线圈
• 2.4.3 电子枪偏转线圈
• 2.5 KSR——系列电子枪的结构
• 2.6 电子枪的应用
• 2.7 本章小结
• 第3章 磁偏转系统及扫描系统
• 3.1 偏转磁场的分布
• 3.2 磁场分布规律和线圈结构关系
• 3.3 均匀磁场的获得
• 3.4 电子束图形扫描原理
• 3.5 磁偏转系统的像差
• 3.5.1 磁偏转场的电子轨迹
• 3.5.2 偏转象散和场曲
• 3.5.3 慧差
• 3.6 本章小结
• 第4章 鞍形线圈的结构及工作原理
• 4.1 线圈模的结构
• 4.2 线圈绕线方法的设计
• 4.3 鞍形线圈的工作原理及计算
• 4.4 本章小结
• 第5章 电磁场的仿真和模拟分析
• 5.1 CST粒子模拟软件介绍
• 5.2 求解器使用的磁场基本理论
• 5.3 建模
• 5.3.1 阴极的建模
• 5.3.2 阳极的建模
• 5.3.3 聚焦线圈的建模
• 5.3.4 偏转线圈的建模
• 5.4 模型仿真与分析
• 5.5 线圈匝数对磁场的影响
• 5.6 二次聚焦线圈对电子束偏转的影响
• 5.7 偏转机构的仿真和优化
• 5.8 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢