冷陰極電子槍電磁控制系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電子束加工設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種冷陰極電子槍電磁控制系統(tǒng)及其 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 電子束快速制造（EBM)技術(shù)是采用電磁系統(tǒng)控制電子束按照預(yù)定掃描軌跡逐層 熔化金屬粉末形成功能部件的一種先進(jìn)的增材制造技術(shù)。具有短周期、低成本、快速響應(yīng)的 特點(diǎn)，EBM技術(shù)是一項(xiàng)軍民兩用技術(shù)，在某些場(chǎng)合具有不可替代的優(yōu)越性，在航空航天、汽車 工業(yè)、石油化工、核工業(yè)、海洋船舶等領(lǐng)域，都潛在巨大的應(yīng)用前景。電子束快速成形設(shè)備關(guān) 鍵技術(shù)包括電子束流發(fā)生系統(tǒng)、電子槍的電子光學(xué)系統(tǒng)等。
[0003] 目前，電子束快速成形設(shè)備大多采用熱陰極電子槍產(chǎn)生電子束流，燈絲壽命比較 短，一般工作時(shí)間也只有數(shù)十個(gè)小時(shí)，如果加工大型零件，需要頻繁更換燈絲。不但影響工 作進(jìn)度，而且還會(huì)影響加工質(zhì)量。
[0004] 冷陰極電子束流發(fā)生技術(shù)是利用高電壓將氣體放電等離子體中的電子和正離子 碰撞陰極產(chǎn)生的二次電子引出，經(jīng)過電磁匯聚系統(tǒng)形成電子束的一種能夠長(zhǎng)時(shí)間工作的先 進(jìn)電子束加工技術(shù)，由于陰極采用了冷卻技術(shù)，一般陰極壽命長(zhǎng)達(dá)1000小時(shí)以上。
[0005] 目前，常用的冷陰極電子槍的工作電壓一般都在40kV以下，經(jīng)過深入分析熱陰極 電子槍與常規(guī)冷陰極電子槍結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后，發(fā)明了一種可以將工作電壓提高到60kV以上的 高壓冷陰極電子槍。燈絲壽命得到了顯著提高，但仍不能滿足EBM技術(shù)對(duì)高品質(zhì)電子束流 的需求。EBM技術(shù)要求電子束束斑直徑在0.1 mm以下，且能夠快速掃描，這就需要對(duì)影響束 流品質(zhì)的高電壓冷陰極電子槍的電子光學(xué)系統(tǒng)電源及其控制系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
[0006] 除了組成電子光學(xué)系統(tǒng)的各種電磁線圈及其驅(qū)動(dòng)電路固有電參數(shù)對(duì)電子束流品 質(zhì)產(chǎn)生影響以外，加速電壓V或者^也是影響束流品質(zhì)的重要參數(shù)。
[0007] 由于高壓電源采用了 ac-dc-ac-dc-ac-dc的雙逆變的拓?fù)潆娐罚沟幂敵龈邏何?波很小，電壓波動(dòng)范圍在±0.5%以內(nèi)，因此在所發(fā)明的冷陰極電子槍的電子光學(xué)系統(tǒng)中， 在計(jì)算冷陰極電子槍電磁聚焦系統(tǒng)的焦距和電子束偏轉(zhuǎn)距離時(shí)，由于電壓波動(dòng)對(duì)加速電壓 V或者·#的影響很小，相應(yīng)的電壓波動(dòng)對(duì)電子束焦距和偏轉(zhuǎn)距離的影響可以忽略，因此， 所發(fā)明的用于EBM的冷陰極電子槍的電子光學(xué)系統(tǒng)的控制方法不需要將V或者^的反饋 量作為控制信號(hào)來維持焦距和偏轉(zhuǎn)距離的穩(wěn)定。
[0008] 因此，影響束流品質(zhì)的主要因素包括：電子束束斑的焦點(diǎn)位置和束斑形狀?，F(xiàn)有冷 陰極電子槍的電子束流品質(zhì)低，且掃描速度慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明提供了一種冷陰極電子槍電磁控制系統(tǒng)，用以提高電子束流品質(zhì)，使其適 用于電子束快速制造領(lǐng)域，該電磁控制系統(tǒng)包括：
[0010] 沿電子槍軸線自上而下依次安裝的第一消像線圈、上聚焦線圈、第二消像線圈、下 聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)掃描線圈；
[0011] 第一消像線圈驅(qū)動(dòng)電源，與第一消像線圈連接，用于給第一消像線圈提供恒定電 流，使第一消像線圈產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng)；
[0012] 上聚焦線圈驅(qū)動(dòng)電源，與上聚焦線圈連接，用于給上聚焦線圈提供恒定電流，使上 聚焦線圈對(duì)從電子槍陽極射出的電子束進(jìn)行一次電磁聚焦；
[0013] 第二消像線圈驅(qū)動(dòng)電源，與第二消像線圈連接，用于給第二消像線圈提供可調(diào)整 的消像電流，以使不同位置掃描點(diǎn)的束斑形狀一致；
[0014] 下聚焦線圈驅(qū)動(dòng)電源，與下聚焦線圈連接，用于給下聚焦線圈提供快速變化的聚 焦電流，快速改變下聚焦線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，以快速實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的二次電磁聚焦；
[0015] 偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電源，與偏轉(zhuǎn)掃描線圈連接，用于給偏轉(zhuǎn)掃描線圈提供快速變 化的電流，實(shí)現(xiàn)電子束的快速偏轉(zhuǎn)，以使電子束快速穩(wěn)定在待掃描點(diǎn)；
[0016] 電子束能量分布控制電路，與所述第二消像線圈驅(qū)動(dòng)電源、下聚焦線圈驅(qū)動(dòng)電源 和偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電源連接，用于計(jì)算并存儲(chǔ)當(dāng)待掃描點(diǎn)的焦點(diǎn)位置和束斑形狀達(dá)到設(shè) 定要求時(shí)偏轉(zhuǎn)掃描線圈中的電流大小和方向、第二消像線圈中的消像電流值和下聚焦線圈 中的聚焦電流值，并根據(jù)計(jì)算出的偏轉(zhuǎn)掃描線圈中的電流大小和方向、消像電流值和聚焦 電流值控制電子束進(jìn)行掃描，以使設(shè)定掃描區(qū)域內(nèi)不同位置待掃描點(diǎn)的電子束能密度一 致。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施例中，第一消像線圈安裝在電子槍的冷陰極和放電陽極組成的放電腔 室外。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，第一消像線圈驅(qū)動(dòng)電源或上聚焦線圈驅(qū)動(dòng)電源包括：第一恒壓 源、續(xù)流二極管Dl、N-溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET Q1、第一電流傳感器、第一 電流采樣電路、第一電流控制電路、第一電流給定電路和第一驅(qū)動(dòng)電路；其中，
[0019] 第一恒壓源的負(fù)端接地，第一恒壓源的正端與第一消像線圈或上聚焦線圈和 N-溝道MOSFET Ql的漏極連接；續(xù)流二極管Dl并聯(lián)在第一消像線圈或上聚焦線圈的兩端； 續(xù)流二極管Dl的陰極與第一恒壓源的正端連接；續(xù)流二極管Dl的陽極與N-溝道MOSFET Ql的漏極連接；N-溝道MOSFET Ql的源極串聯(lián)第一電流傳感器后連接到第一恒壓源的負(fù) 端；
[0020] 第一電流傳感器的輸出端連接第一電流米樣電路的輸入端；第一電流米樣電路的 輸出端連接第一電流控制電路的一輸入端；第一電流給定電路的輸出端連接第一電流控制 電路的另一輸入端；第一電流控制電路的輸出端連接第一驅(qū)動(dòng)電路的輸入端；第一驅(qū)動(dòng)電 路的輸出端連接N-溝道MOSFET Ql的柵極。
[0021] 在一個(gè)實(shí)施例中，第二消像線圈驅(qū)動(dòng)電源或下聚焦線圈驅(qū)動(dòng)電源包括：第二恒壓 源、續(xù)流二極管D2、N-溝道MOSFET Q2、第二電流傳感器、第二電流采樣電路、第二電流控制 電路、第二電流給定電路、第二驅(qū)動(dòng)電路和第一同步控制電路；其中，
[0022] 第二恒壓源的負(fù)端接地，第二恒壓源的正端與第二消像線圈或下聚焦線圈和 N-溝道MOSFET Q2的漏極連接；續(xù)流二極管D2并聯(lián)在第二消像線圈或下聚焦線圈的兩端； 續(xù)流二極管D2的陰極與第二恒壓源的正端連接；續(xù)流二極管D2的陽極與N-溝道MOSFET Q2的漏極連接；N-溝道MOSFET Q2的源極串聯(lián)第二電流傳感器后連接到第二恒壓源的負(fù) 端；
[0023] 第二電流傳感器的輸出端連接第二電流采樣電路的輸入端；第二電流采樣電路的 輸出端連接第二電流控制電路的第一輸入端；第二電流給定電路的輸出端連接第二電流 控制電路的第二輸入端；第一同步控制電路的輸出端連接第二電流控制電路的第三輸入 端；第二電流控制電路的輸出端連接第二驅(qū)動(dòng)電路的輸入端；第二驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接 N-溝道MOSFET Q2的柵極。
[0024] 在一個(gè)實(shí)施例中，偏轉(zhuǎn)掃描線圈包括X向線圈和Y向線圈；偏轉(zhuǎn)掃描線圈驅(qū)動(dòng)電源 包括用于驅(qū)動(dòng)X向線圈的X向線圈驅(qū)動(dòng)電源和用于驅(qū)動(dòng)Y向線圈的Y向線圈驅(qū)動(dòng)電源；
[0025] X向線圈驅(qū)動(dòng)電源或Y向線圈驅(qū)動(dòng)電源包括：第三恒壓源、用于使X向線圈或Y向 線圈換向的 N-溝道 MOSFET Q3、N-溝道 MOSFET Q4、N-溝道 MOSFET Q5、N-溝道 MOSFET Q6、 用于調(diào)節(jié)X向線圈或Y向線圈中電流大小的N-溝道MOSFET Q7、第三電流傳感器、第三電流 采樣電路、第二同步控制電路、第三電流給定電路、掃描控制電路、第三驅(qū)動(dòng)電路、第四驅(qū)動(dòng) 電路和第五驅(qū)動(dòng)電路；其中，
[0026] 第三恒壓源的負(fù)端接地，第三恒壓源的正端連接N-溝道MOSFET Q3的漏極和N-溝 道MOSFET Q4的漏極，N-溝道MOSFET Q3的源極連接X向線圈或Y向線圈的第一端，第一端 連接N-溝道MOSFET Q5的漏極，N-溝道MOSFET Q4的源極連接X向線圈或Y向線圈的第二 端，第二端連接N-溝道MOSFET Q6的漏極，N-溝道MOSFET Q6的源極連接N-溝道MOSFET Q5的源極，N-溝道MOSFET Q5的源極和N-溝道MOSFET Q6的源極連接N-溝道MOSFET Q7 的漏極，N-溝道MOSFET Q7的源極串聯(lián)第三電流傳感器后連接到第三恒壓源的負(fù)端；
[0027] 第三電流傳感器的輸出端與第三電流采樣電路的輸入端連接；第三電流采樣電路 的輸出端與掃描控制電路的第一輸入端連接；第三電流給定電路的輸出端與掃描控制電路 的第二輸入端連接；第二同步控制電路的輸出端與掃描控制電路的第三輸入端連接；掃描 控制電路的第一輸出端與第三驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接；掃描控制電路的第二輸出端與第四 驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接；掃描控制電路的第三輸出端與第五驅(qū)動(dòng)電路的輸入端連接；
[0028] 第三驅(qū)動(dòng)電路連接N-溝道MOSFET Q7的柵極；第四驅(qū)動(dòng)電路連接N-溝道MOSFET Q3的柵極與N-溝道MOSFET Q6的柵極；第五驅(qū)動(dòng)電路連接N-溝道MOSFET Q4的柵極與 N-溝道MOSFET Q5的柵極。
[0029] 本發(fā)明還提供了上述快速成形的冷陰極電子槍電磁控制系統(tǒng)的控制方法，該方 法，包括：
[0030] 在電子束偏轉(zhuǎn)掃描區(qū)域內(nèi)設(shè)置多個(gè)掃描檢測(cè)點(diǎn)；
[0031] 當(dāng)每個(gè)掃描檢測(cè)點(diǎn)處的焦點(diǎn)位置和束斑形狀達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，逐個(gè)確定每個(gè)掃描 檢測(cè)點(diǎn)處，第二消像線圈輸出的消像電流值、下聚焦線圈輸出的聚焦電流值、偏轉(zhuǎn)掃描線圈 中的電流方向和大小，并將消像電流值、聚焦電流值、偏轉(zhuǎn)掃描線圈中的電流方向和大小存 入電子束能量分布控制電路中的存儲(chǔ)芯片中；
[0032] 電子束能量分布控制電路根據(jù)待掃描圖案，在電子束正式掃描之前進(jìn)行預(yù)掃描， 根據(jù)每個(gè)掃描檢測(cè)點(diǎn)處的消像電流值、聚焦電流值、偏轉(zhuǎn)掃描線圈中的電流方向和大小，采 用插值法，逐個(gè)計(jì)算出待掃描圖案中每個(gè)待掃描點(diǎn)位置的第二消像線