大功率电子枪电子束形成系统的设计研究

论文摘要

随着制造业及航天工业的发展,对难熔金属的加工需求已经提上了日程。这些金属的熔点高,但同时又有很大氧化性,即使在比自身的熔化温度低的温度下也会氧化,从而限制了它们的应用。电子束熔炼技术可以解决难熔金属熔炼的熔点和纯度问题。而大功率电子枪作为电子束熔炼炉的核心部件,对其电子束形成过程的模拟研究和设计将为电子束熔炼炉的设计提供重要参考。本课题以250KW电子束炉用大功率电子枪为研究目标,研究其有关电子束形成的系统。通过使用CST软件对电子的发射、加速和一次聚焦进行模拟,得到符合要求的电子枪结构模型。并通过研究电子束形成系统的参数变化对电子束性能的影响,进一步优化电子枪的结构模型,并总结规律,指导实际生产。根据电子束炉、电子枪的基本组成和工作原理,结合电子光学的基本原理和电子枪设计的经验公式对电子枪电子束形成系统的结构尺寸和电压电流等参数进行了初步设计,并通过CST软件的模拟来检验模型。分别修改电子加速部分和一次聚焦部分的结构参数,模拟研究电子束的变化情况,得出各参数变化对电子束轨迹产生的影响。分析各参数变化对电子束轨迹变化的作用原理,从而得出,增大块状阴极与阳极之间距离、减小块状阴极外缘、减小聚束极模孔直径、减小聚束极锥孔角度都会使得加速电场在径向上强度增大,使得电子的汇聚作用增大,电子束的稳定性遭到破坏；后移一次聚焦线圈位置、增大聚焦线圈的内径、增大聚焦线圈厚度均可以改善聚焦磁场径向的均匀性,使得电子束的稳定性提高；减少聚焦线圈前端的匝数则会降低一次聚焦开始时电子束过度聚焦的程度,同样可以提高电子束的稳定性。依据上述结论,对电子束形成系统进行优化,优化后的模型可以得到电子束流通率100%、束径变化率低于20%的较为理想的电子束。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究的目的与意义
• 1.2 国外研究与发展动态
• 1.2.1 国内研究与发展动态
• 第2章 大功率电子枪电子束的形成
• 2.1 电子枪
• 2.2 电子枪的工作过程
• 2.2.1 电子束的形成
• 2.2.2 电子束的传输
• 2.2.3 电子束的偏转和扫描
• 2.2.4 X-射线的产生与防护
• 2.3 本章小结
• 第3章 电子束形成系统的设计
• 3.1 电子的发射
• 3.1.1 电子枪阴极
• 3.1.2 阴极设计
• 3.2 电子的加速
• 3.2.1 聚束极
• 3.2.2 阳极设计
• 3.3 电子束的形成
• 3.3.1 磁场位置和结构设计
• 3.3.2 熔炼温度调节
• 3.4 本章小结
• 第4章 电子枪的模拟设计
• 4.1 模拟用软件介绍
• 4.2 CST模拟模型建立
• 4.2.1 模型材料
• 4.2.2 阴极和聚束极
• 4.2.3 阳极与一次聚焦骨架
• 4.2.4 聚焦线圈
• 4.2.5 模孔光阑
• 4.3 边界条件设置
• 4.4 添加各个激励条件
• 4.5 网格划分
• 4.6 模拟计算
• 4.7 本章小结
• 第5章 电子枪各参数对电子束性能的影响
• 5.1 加速电场参数对电子束形成的影响
• 5.1.1 改变电极排布
• 5.1.2 改变加速电压
• 5.1.3 改变块状阴极几何参数
• 5.1.4 改变聚束极几何参数
• 5.1.5 改变阳极孔径
• 5.2 一次聚焦系统的参数对电子束轨迹的影响
• 5.2.1 改变聚焦线圈位置
• 5.2.2 改变聚焦线圈内径
• 5.2.3 改变聚焦线圈宽度
• 5.2.4 铁心的影响
• 5.2.5 改变聚焦磁场轴向均匀性
• 5.3 结构优化
• 5.4 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