一种永磁-电磁复合调控聚焦透镜结构及其控制方法

本发明涉及电子束聚焦控制，尤其涉及一种永磁-电磁复合调控聚焦透镜结构及其控制方法。

背景技术：

1、电子束聚焦透镜广泛应用于x射线源、电子显微镜、电子束加工设备及其他电子光学系统中。电子束的聚焦性能直接影响系统的空间分辨率、能量分布、成像质量及加工精度。随着高分辨率成像技术和微纳尺度加工技术的发展，相关设备对电子束焦斑尺寸、焦斑位置稳定性及动态调节能力提出了更高要求，尤其是在长时间连续运行和高精度工作场景中，需要电子束保持稳定聚焦状态，并能够对外界扰动进行快速响应。

2、现有电子束聚焦方式主要包括电磁透镜聚焦和永磁透镜聚焦。电磁透镜通常通过通电线圈产生磁场，以调节电子束的聚焦强度。该方式具有磁场强度可调的特点，能够适应不同束流工况。然而，电磁透镜需要持续依赖电流驱动，运行能耗较大，且线圈在长时间通电过程中产生热量，温升会引起线圈电阻变化，进而导致驱动电流及磁场强度发生波动，影响电子束聚焦稳定性。同时，电磁透镜对电源稳定性较为敏感，易受电压波动和电磁噪声影响，在高精度电子光学系统中的应用受到限制。

3、此外，电子束在传播过程中还会受到空间电荷效应、高压电源波动、结构热变形以及外界电磁干扰等因素影响，上述因素会引起电子束发散角变化、焦斑尺寸扩大和焦斑位置漂移，进而降低成像质量或加工精度。传统单一电磁聚焦方式难以兼顾低能耗和长期稳定性，单一永磁聚焦方式难以兼顾动态可调性和扰动补偿能力，现有聚焦系统还存在抗干扰能力不足、响应速度有限及长期稳定控制效果不足的问题。

4、发明专利申请cn114999765a公开了一种结合永磁与电磁的多模态磁力治疗设备，该方案通过电磁机构和永磁机构对样品施加旋转永磁与交变电磁，使磁性材料产生跳转、旋转和翻转等运动，从而实现多模态磁力治疗。该方案的核心在于生物磁力治疗场景下的永磁运动形式、电磁波频率、电流大小和电流方向控制，未针对电子束在电子光学系统中的焦斑尺寸、位置漂移及聚焦磁场稳定性进行设计；其永磁机构与电磁机构作用对象为样品台处的磁性材料，并非沿电子束传播方向同轴构建永磁主场与电磁补偿场的复合聚焦透镜，缺乏针对空间电荷效应、高压波动和热形变引起电子束扰动的动态补偿机制，难以用于高精度电子束稳定聚焦控制。发明专利cn119673731b公开了一种堆叠式磁透镜，该方案通过沿中轴同轴设置的多个环形永磁体产生基础可调磁场，并通过至少一个环形永磁体相对位移调节磁场分布和大小，部分实施方式中还设置电磁线圈产生附加可调磁场。该方案侧重于通过堆叠环形永磁体的机械位移实现磁场调节，虽然能够改善杂散场并减小传统电磁透镜带来的热管理问题，但其调节主要依赖环形永磁体之间的相对位置变化，响应速度受机械位移机构限制，难以对空间电荷效应、高压电源波动及热变形等快速变化扰动进行实时补偿；同时，该方案未形成以永磁主聚焦、电磁正反向补偿、闭合磁路屏蔽、温度反馈修正为一体的动态调焦控制结构，对长时间运行状态下电子束焦斑尺寸及位置的闭环稳定控制不足。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种永磁-电磁复合调控聚焦透镜结构及其控制方法，使其具有稳定主聚焦磁场、动态补偿聚焦强度、降低线圈能耗与温升影响、抑制外界电磁干扰以及提高电子束焦斑尺寸和位置稳定性的优点。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：

3、一种永磁-电磁复合调控聚焦透镜结构，包括：

4、永磁主聚焦模块，用于通过多环组合式永磁体在电子束传播方向上形成稳定且轴对称的永磁主场实现电子束初步聚焦；

5、电磁动态补偿模块，用于通过绕设于永磁体外侧的电磁线圈组件产生与永磁主场耦合的可调电磁补偿场，以调节永磁主场的磁通密度和磁场分布；

6、磁路结构，用于通过设置于永磁体与电磁线圈组件外部的磁轭形成闭合磁路实现磁通约束、漏磁降低及外界电磁干扰抑制；

7、热管理与稳定控制结构，用于通过冷却结构和温度传感器获取线圈温度并反馈温度信号实现电磁线圈组件温升影响降低；

8、控制驱动结构，用于基于电子束焦斑尺寸、位置偏差信息、电子束电流及加速电压变化计算补偿电流并驱动电磁线圈组件实现电子束焦斑尺寸与位置的动态闭环控制，各模块沿电子束传播方向同轴布置以形成轴对称复合磁场环境。

9、进一步的，所述永磁主聚焦模块包括采用钕铁硼材料制成的环形永磁体组合，所述环形永磁体组合沿预设磁化方向磁化，用于在电子束传播方向上形成稳定磁场分布并降低电子束初始发散角；

10、所述多段永磁体组合包括沿电子束传播方向间隔排列的多个永磁环，多个永磁环通过不同尺寸及间距形成轴向梯度磁场分布，用于对电子束进行逐级压缩并向电磁动态补偿模块提供预聚焦后的电子束输入。

11、进一步的，所述电磁动态补偿模块包括低电感电磁线圈组件，所述低电感电磁线圈组件采用多股绝缘绞合导线绕制于永磁体外侧，用于降低交流损耗并提高电磁补偿场对补偿电流变化的响应速度。

12、进一步的，所述低电感电磁线圈组件包括多层线圈结构，所述多层线圈结构划分为粗调线圈和精调线圈，所述粗调线圈用于基于补偿电流实现聚焦强度范围调节，所述精调线圈用于基于反馈修正电流实现电子束聚焦状态连续调节。

13、进一步的，所述磁路结构的具体构成为：

14、采用高磁导率软磁材料制成围设于永磁体与电磁线圈组件外侧的磁轭，以围设永磁体与电磁线圈组件；

15、通过磁轭与永磁主聚焦模块、电磁动态补偿模块配合形成闭合磁路，以将磁通集中约束于电子束传播区域；

16、通过闭合磁路屏蔽外界电磁干扰，以维持电子束传播区域内复合磁场分布稳定。

17、进一步的，所述热管理与稳定控制结构的具体构成为：

18、在电磁线圈组件的线圈骨架内部设置与电磁线圈组件热耦合的换热冷却结构，所述换热冷却结构形成由电磁线圈组件至外部散热介质的热传导路径；

19、在电磁线圈组件及其周围环境的关键位置布置温度传感器，以采集线圈温度信号和环境温度信号；

20、将线圈温度信号和环境温度信号反馈至控制驱动结构，以修正补偿电流并降低温升对磁场分布的影响。

21、进一步的，所述控制驱动结构的动态调焦控制过程为：

22、通过电子束状态检测组件获取电子束焦斑尺寸及位置偏差信息，以得到电子束聚焦状态检测结果；

23、基于预设模型、电子束聚焦状态检测结果、电子束电流及加速电压变化计算所需补偿电流，以得到电磁线圈组件的电流大小和电流方向；

24、将包含电流大小和电流方向的调节指令发送至电磁线圈驱动电路，以驱动电磁线圈组件产生电磁补偿场并实现电子束焦斑尺寸与位置的闭环调节。

25、进一步的，所需补偿电流的计算过程为：

26、将电子束电流变化量及加速电压变化量输入前馈补偿通道，以计算得到预补偿电流；

27、将焦斑尺寸偏差及位置偏差输入比例-积分-微分反馈通道，以计算得到反馈修正电流；

28、将预补偿电流与反馈修正电流叠加，以得到所需补偿电流。

29、进一步的，所述电磁补偿场的调节过程为：

30、当电磁线圈组件的电流方向与永磁主场方向一致时，通过叠加同向电磁补偿场增强电子束聚焦作用；

31、当电磁线圈组件的电流方向与永磁主场方向相反时，通过叠加反向电磁补偿场削弱电子束聚焦强度；

32、通过正向电流调节与反向电流调节对空间电荷效应、高压波动及热形变引起的电子束扰动进行动态补偿，以使电子束以稳定的焦斑尺寸和位置轰击目标区域。

33、一种永磁-电磁复合调控聚焦透镜控制方法，包括以下步骤：

34、步骤s1、基于电子束能量、电流密度及目标焦斑尺寸进行永磁结构参数匹配、电磁线圈初始电流设定及控制系统标定，以完成电子束聚焦透镜结构的初始化设置；

35、步骤s2、通过永磁主聚焦模块在电子束传播方向上形成稳定且轴对称的永磁主场，以对由阴极发射并进入复合透镜区域的电子束进行初步聚焦；

36、步骤s3、通过电磁动态补偿模块向电磁线圈组件通入设定大小及设定方向的补偿电流，以在永磁主场基础上叠加电磁补偿场并对电子束进行精细聚焦；

37、步骤s4、通过电子束状态检测组件获取电子束焦斑尺寸及位置偏差信息，并基于电子束电流变化量、加速电压变化量、焦斑尺寸偏差及位置偏差计算得到所需补偿电流；

38、步骤s5、通过控制驱动结构将包含电流大小和电流方向的调节指令发送至电磁线圈驱动电路，以驱动电磁线圈组件产生与永磁主场耦合的可调电磁补偿场；

39、步骤s6、当电磁补偿场方向与永磁主场方向一致时增强电子束聚焦作用，当电磁补偿场方向与永磁主场方向相反时削弱电子束聚焦强度，以对空间电荷效应、高压波动及热形变引起的电子束扰动进行动态补偿并使电子束以稳定的焦斑尺寸和位置轰击目标区域。

40、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

41、（1）本发明提供的一种永磁-电磁复合调控聚焦透镜结构及其控制方法，通过永磁主聚焦模块形成稳定且轴对称的永磁主场，并通过电磁动态补偿模块叠加正向或反向电磁补偿场，使聚焦透镜兼具稳定主聚焦能力和动态调节能力，解决了单一电磁透镜能耗高、温升大以及单一永磁透镜调节能力不足的问题。

42、（2）本发明提供的一种永磁-电磁复合调控聚焦透镜结构及其控制方法，通过低电感电磁线圈组件、双层或多层线圈结构以及前馈补偿和比例-积分-微分反馈控制，实现补偿电流的快速计算与精细调节，从而对空间电荷效应、高压波动及热形变引起的电子束扰动进行动态补偿，提高电子束焦斑尺寸和位置的稳定性。

43、（3）本发明提供的一种永磁-电磁复合调控聚焦透镜结构及其控制方法，通过磁轭形成闭合磁路以约束磁通并抑制外界电磁干扰，并通过微通道冷却结构、水冷装置或风冷装置结合温度传感器降低电磁线圈组件温升影响，提高聚焦透镜的磁场利用效率、抗干扰能力和长时间运行稳定性。