Фокусирующе-отклоняющая система для электронных пушек
FOCUSING-DEFLECTION SYSTEM FOR ELECTRONIC GUNS

Изобретение относится к электронно-оптическим устройствам, а именно к конструкции электронных магнитных линз для фокусировки и отклонения электронного пучка, например, в технологических электронных пушках, применяемых для электронно-лучевой обработки материалов.
Известна система для фокусировки и отклонения электронного пучка в электронных сварочных пушках, содержащая фокусирующую магнитную линзу и расположенную за ней по ходу электронного пучка отклоняющую систему [Патент РФ №2518502, МПК H01J 37/06, Опубликовано: 10.06.2014].
Последовательное расположение фокусирующей линзы и отклоняющей системы увеличивает габариты электронной пушки и тем самым уменьшает рабочий объем вакуумной камеры в установках с внутрикамерным расположением пушки. В результате уменьшаются допустимые размеры обрабатываемого изделия и допустимая область обработки.
Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является фокусирующе-отклоняющая система устройства для электронно-лучевой литографии [см. Авторское свидетельство SU №1127023, МПК H01J 37/147, Опубликовано: 30.11.1984], содержащая соосно установленные магнитную фокусирующую линзу с внутренним каналом в виде набора чередующихся магнитных и немагнитных колец, лучепровод и размещенную в канале линзы систему отклонения электронного пучка, при этом, обмотки системы отклонения магнитного типа нанесены по винтовым линиям на участок лучепровода, выполненного из немагнитного материала.
Однако, при такой конструкции системы магнитного отклонения использование магнитного сердечника, увеличивающего индукцию поля, невозможно, так как он исказит или замкнет магнитное поле фокусирующей линзы. Таким образом, отклонение электронного пучка возможно на малые углы (не более 0,2°), что недостаточно для применения в технологических электронных пушках, используемых в обработке материалов (сварка, термическая обработка, перфорация др.), где углы отклонения электронного пучка составляют 5-10°.
Техническое решение изобретения заключается в расширении области применения системы для реализации различных технологических процессов обработки материалов электронным пучком.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение габаритных размеров фокусирующе-отклоняющей системы электронной сварочной пушки при сохранении функциональных возможностей по величине угла отклонения электронного пучка.
Это достигается тем, что в фокусирующе-отклоняющей системе для электронных пушек, содержащей магнитную фокусирующую линзу, включающую обмотку и магнитопровод магнитной линзы, который выполнен из корпуса и колец из магнитного материала, установленных с немагнитными промежутками, отклоняющую систему и лучепровод из немагнитного материала, установленные соосно с линзой, согласно изобретению отклоняющая система установлена внутри магнитной линзы и выполнена из тороидальных обмоток, намотанных на кольца из магнитного материала, а кольца из магнитного материала образованы намоткой ленты из магнитомягкого аморфного сплава.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид фокусирующе-отклоняющей системы; на фиг. 2 показана расчетная схема электронной пушки с многощелевой фокусирующе-отклоняющей системой; на фиг. 3 представлена расчетная схема магнитопровода и обмотки возбуждения многощелевой линзы в компьютерной программе, предназначенной для расчета распределения индукции магнитного поля; на фиг. 4 показано распределение индукции магнитного поля в магнитопроводе линзы; на фиг. 5 показано распределение индукции фокусирующего магнитного поля на оси многощелевой линзы.
Фокусирующе-отклоняющая система для электронных пушек содержит магнитную фокусирующую линзу 1, состоящую из обмотки возбуждения 2, магнитопровода 3, колец 4 из магнитного аморфного сплава из тонкой ленты (не более 50 мкм) с индукцией насыщения не хуже индукции насыщения материала магнитопровода 3 и немагнитных промежутков 5, двухполюсную отклоняющую систему 6 тороидального типа, электронно-оптическую ось пушки 7, лучепровод 8, плоскость 9 кроссовера электронного пучка, плоскость 10 фокусировки электронного пучка.
Фокусирующе-отклоняющая система работает следующим образом.
Электронный пучок, сформированный электронной пушкой и системой формирования, поступает по лучепроводу 8 в фокусирующе-отклоняющую систему вдоль электронно-оптической оси 7. При подаче тока на обмотку возбуждения 2 магнитная фокусирующая линза 1 переносит кроссовер электронного пучка в плоскости 9, расположенного в районе ускоряющего промежутка, в плоскость фокусировки 10 на обрабатываемом объекте. Отклоняющая система тороидального типа 6 при подаче тока в ее обмотки отклоняет электронный пучок в пределах поля обработки в соответствии с заданной программой, при этом центр отклонения расположен в центре магнитной линзы.
Кольца 4 из магнитомягкого материала экранируют магнитное поле внешних по отношению к оси витков обмоток отклоняющей системы и увеличивают величину индукции отклоняющего поля на оси системы, создаваемого внутренними витками обмотки. При этом, чередующиеся кольца из магнитомягкого материала 4 и промежутки 5 создают концентрацию магнитного поля фокусирующей системы на электронно-оптической оси пушки 7, такую конструкцию магнитной линзы принято называть многощелевой.
Расположение двухполюсной отклоняющей системы 6 тороидального типа внутри фокусирующей магнитной линзы 1 позволяет уменьшить размер (высоту) технологической (сварочной) электронной пушки и увеличить расстояние от торца пушки до плоскости обработки l, что позволяет увеличить полезный объем технологической вакуумной камеры и соответственно увеличить габаритные размеры помещаемых внутрь камеры обрабатываемых изделий. Увеличение расстояния от торца пушки до плоскости обработки l позволяет уменьшить разогрев сварочной пушки излучением из области взаимодействия электронного пучка и мишени.
Для уменьшения паразитных токов Фуко, возникающих при работе двухполюсной отклоняющей системы 6 тороидального типа с высокими скоростями развертки пучка, кольца из магнитного материала 4 намотаны из тонкой ленты (не более 50 мкм) из магнитомягкого аморфного сплава с индукцией насыщения не хуже индукции насыщения материала магнитопровода 3. По своим характеристикам кольцевые сердечники из тонкой ленты из аморфного сплава значительно превосходят ферритовые и сохраняют магнитные характеристики в сильных магнитных полях, создаваемых обмотками фокусирующей и отклоняющей систем.
Центр отклонения отклоняющей системы совпадает с центром магнитной линзы, что позволяет отодвинуть плоскость сварки дальше от нижнего торца сварочной пушки.
В ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» проведен расчет и моделирование фокусирующей многощелевой магнитной линзы согласно расчетной схеме (фиг. 2, 3). Анализ распределения индукции магнитного поля в магнитопроводе линзы (фиг. 4) показывает, что максимальное значение индукции в материале сердечника не превышает 0,153 Тл при допустимой индукции насыщения материала сердечника из аморфного сплава в 1 Тл. Таким образом, сердечник магнитной линзы обеспечивает с большим запасом необходимый режим фокусировки и отклонения электронного пучка.
Изменение геометрии колец 4 из магнитного материала позволяет в широких пределах изменять распределение индукции фокусирующего поля на оси многощелевой линзы (фиг. 5) и тем самым оптимизировать свойства линзы.
Расстояние от кроссовера пучка, расположенного в отверстии анода до нижней плоскости линзы в расчетная схеме сварочной пушки с многощелевой фокусирующе-отклоняющей линзой (фиг. 2), принято L=195 мм, ускоряющее напряжение - 60 кВ.
сф
хр
сф
хр
Проведен расчет положения плоскости фокусировки пучка в пушке и коэффициентов сферической и хроматической аберраций в плоскости фокусировки. Результаты расчета величины рабочего отрезка 1, линейного уменьшения и коэффициентов сферической С и хроматической С аберраций приведены в Таблице 1. Расчетные значения диаметра пучка в линейном приближении, диаметров кружков сферической С и хроматической С аберраций приведены в Таблице 2. В этих таблицах ω - половина апертурного угла пучка в кроссовере.
Анализ результатов показывает, что диаметры кружков хроматической аберрации пренебрежимо малы по сравнению с диаметром кружка сферической аберрации. Это показывает, что пульсации высокого напряжения мало влияют на увеличение диаметра электронного пучка в плоскости сварки.
2
Расчетная плотность тока возбуждения линзы I [А/см] задается при расчете распределения индукции магнитного поля. Возбуждение линзы определяется путем умножения плотности тока на площадь сечения обмотки линзы.
Так, возможности фокусировки позволяют проводить сварку сходящимся электронным пучком. Суммарный диаметр пучка на расстоянии 260 мм от торца пушки равен:
Диаметр пучка на таком расстоянии до плоскости фокусировки существенно меньше, чем в электронной пушке традиционной конструкции.
Использование изобретения в электронных технологических пушках улучшает эксплуатационные характеристики, уменьшает размер (высоту) технологической (сварочной) электронной пушки и увеличивает расстояние от торца пушки до плоскости сварки, что приводит к увеличению полезного объема технологической вакуумной камеры и соответственно увеличивает габаритные размеры обрабатываемых изделий, кроме того, уменьшается разогрев торцевой поверхности пушки излучением из области обработки.