论文摘要
注状电子束的产生和稳定传输涉及到微波电子学、等离子体电子学、电磁场与微波技术、真空技术、材料科学等学科,对于应用基础研究是一个综合性的问题。用于真空熔炼设备中的强流皮尔斯电子枪,其工作过程包括电子束的产生、加速、聚焦和偏转,聚焦系统是实现其应用的关键之一。对于长聚焦轴向皮尔斯电子枪来说,由于在熔炼中其具有可远离熔池而把阴极材料的污染降到最低、寿命长、功率大、易操作等优点,吸引了研究者的广泛关注。目前对大功率电子枪聚焦系统的研究设计还不是很系统,有待于进一步研究,通过研究逐步改进电子束质量及材料特性,从而完善电子束加工工艺技术,扩大电子束加工在工程实际中的应用领域,发挥出电子束加工的最大优势。强流电子光学系统主要包括电子枪和聚焦系统两个部分,前者负责束的产生,后者负责束的聚焦,电子枪是电子束加工装置中的核心部件,但如果没有聚焦系统,由于在电子注内部存在着很强的空间的电荷自身的排斥力——发散力,势必将阻碍我们获得所要求的电子注,因此必须设法克服这一矛盾。利用磁场的会聚力来克服空间电荷的发散力,以此获得所要求的电子注。强流皮尔斯电子枪在电子束熔炼、电子束焊接等方面均有重要应用,希望得到稳定的、注状分布的会聚效果良好的电子束。但现在国内对强流皮尔斯电子枪的模拟设计研究还没有涉及。论文工作从250kw强流电子束炉应用的实际需求出发,对强流皮尔斯电子枪电子束聚焦系统进行了模拟设计研究。分析和综述了强流电子光学和强流电子光学电子束加工技术,利用粒子模拟软件CST和电磁分析软件Ansys研究了强流皮尔斯电子枪电子束聚焦系统中电子束流通率和稳定性问题,总结出一些具有实际意义的规律,包括：改变聚焦线圈的宽度和相对位置对电子束影响不大；改变聚焦线圈的厚度和电流值对电子束影响最大；皮尔斯电子枪阴极附近聚焦极的应用极大地抑制了电流密度的增强效应,提供稳态的空间电荷限制电流值；皮尔斯电子枪阴极附近聚焦极厚度对电子束产生影响很大。论文根据现有的电子枪设计方法,参考电子光学中光路系统的性质,对强流电子枪聚焦系统进行理论计算,设计出大功率电子枪的聚焦系统,对一次聚焦和二次聚焦系统结构的的几何参数优化,通过对比及模拟等方法确定电子枪聚焦系统的各结构参数,在CST粒子工作室环境下,使用静电、静磁以及粒子求解器成功地对电子枪电子束聚焦系统进行仿真。详细分析了电子枪聚焦系统结构参数对电子束质量的影响,总结了适用于设计和优化强流皮尔斯电子枪电子束聚焦系统的规律：线圈宽度和相对位置的改变对聚焦磁场的影响很小,因此在宽度方向上电子注形状保持的非常好；线圈厚度的改变对聚焦磁场的影响大,采用浸没式聚焦,影响粒子源发射,粒子能量高的粒子才能通过,但是数量太少,能量也小,不符合设计之初的要求。使用了Ansys软件对CST软件仿真下的聚焦系统进行了验证,通过不同软件得出仿真模拟结果的对比分析,进一步证明了设计的可靠性和可行性,得出电子枪聚焦系统的参数特征,为实际设计应用提供参考。论文通过优化设计,获得了聚焦效果良好的系统。保证了第一次聚焦用以产生所需要的电子束束腰；保证了调节在熔池上的电子束径的第二次聚焦有较大的调节范围,以满足熔炼工艺对温度的要求；保证了电子束有较高的流通率,确保被聚焦的电子束有较高的稳定性；保证了电子束外层电子的运动状态及外层电子运动中半径的变化,产生了满足要求的电子束。层流性良好,填充因子大于60%,注流通率100%,模拟结果与设计理论相符,使整个强流皮尔斯电子枪电子束聚焦系统的性能达到最优。