电子束粉末床增材制造装备电子枪

1.本发明涉及一种电子束加工装备技术领域，具体而言，涉及一种电子束粉末床增材制造装备电子枪。


背景技术：

2.电子束粉末床增材制造装备的偏扫装置为磁扫描装置，控制电子束斑点在工作平面作二维运动。电子枪光学装置由于制造工艺的影响会引起电子束斑点外貌形状及能量密度分布的畸变，其中磁扫描装置磁感应强度不均匀性影响尤为突出，且电子束扫描角度越大畸变越严重。电子束粉末床增材制造装备要求具备大扫描角度能力，为保证电子束斑点的一致性，必须加装束斑矫正装置。
3.参考公开号为cn 103474308 a，名称为“带有电磁合轴装置的电子枪”的发明专利申请，皮尔斯电子枪采用消像散装置矫正束斑的畸变，常规为静态矫正工作方式，满足不了电子束粉末床增材制造装备要求快速同步矫正要求。另外消像散装置为独立装置增加了电子束的飞行路程，不利于电子束的聚焦。


技术实现要素：

4.本发明就是为了解决现有皮尔斯电子枪的消像散装置以静态矫正工作方式矫正束畸变，满足不了电子束粉末床增材制造装备要求快速同步矫正要求，消像散装置为独立装置增加了电子束的飞行路程，不利于电子束的聚焦的技术问题。另外消像散装置为独立装置增加了电子束的飞行路程，不利于电子束的聚焦的技术问题，提供了一种集成扫描装置与消像散装置于一体，扫描与消像散的同步工作的电子束粉末床增材制造装备电子枪。
5.本发明提供一种电子束粉末床增材制造装备电子枪，包括依次呈同轴对中自上而下布设的阴极、聚束极、阳极、合轴装置、聚焦装置和扫描消像散集成装置；
6.扫描消像散集成装置包括铁磁框架、扫描绕组和消像散绕组；所述铁磁框架呈轴对称的圆柱状环形结构，铁磁框架的内壁设有轴向延伸并按圆周等分的4m个线槽，m是不小于2的偶数，相邻线槽之间形成齿；所述扫描绕组和消像散绕组共同占据全部4m个线槽；
7.扫描绕组包括x相绕组和y相绕组；消像散绕组包括α相绕组和β相绕组；
8.当给扫描绕组通电后，x、y两相绕组产生垂直于电子束飞行参考方向的磁场；当给消像散绕组通电后，α、β两相绕组在垂直于电子束飞行参考方向上的产生两组对立磁场。
9.优选地，x相绕组、y相绕组轴线相差弧度角；α相绕组、β相绕组轴线相差弧度角。
10.优选地，关于扫描绕组，线槽中绕组匝数在铁磁框架纵截面上沿圆周按正弦规律量化分布，x相绕组在第n号槽中匝数系数k
xn
,则：
[0011][0012]
公式(1)中，k
xn
为负值表示绕向相反，x相绕组在第n号槽中匝数为：
[0013]zxn
＝k
xn
μ
x
ꢀꢀꢀ
(2)
[0014]
公式(2)中，μ
x
为扫描绕组中x相绕组匝数基准值，通过指定k
xn
的非0最小值k
xmin
对应的匝数为某一整数值z
xmin
，计算μ
x
值，即：
[0015][0016]
y相绕组在第n号槽中匝数与x相绕组在第n m号槽中匝数相等,即：
[0017]zyn
＝z
x(n m)
ꢀꢀꢀ
(4)；
[0018]
关于消像散绕组，线槽中绕组匝数在扫描消像散集成装置截面上沿圆周按正弦规律量化分布，α相绕组在第n号槽中匝数系数k
α
,则:
[0019][0020]
α相绕组在第n号槽中匝数为：
[0021]zαn
＝k
αn
μ
α
ꢀꢀꢀ
(6)
[0022]
公式(6)中，μ
α
为消像散绕组匝数基准值，通过指定k
αn
的非0最小值k
αmin
对应的匝数为某一整数值z
αmin
，计算μ
α
值，即：
[0023][0024]
β相绕组在第n号槽中匝数与α相绕组在第n m号槽中匝数相等,即：
[0025]zβn
＝z
α(n m)
ꢀꢀꢀ
(8)。
[0026]
优选地，当m取值为2时，所述铁磁框架有8个线槽和8个齿，8个线槽分别是第1号线槽、第2号线槽、第3号线槽、第4号线槽、第5号线槽、第6号线槽、第7号线槽、第8号线槽，8个齿分别是第1号齿、第2号齿、第3号齿、第4号齿、第5号齿、第6号齿、第7号齿、第8号齿，漆包线绕在第1号齿上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第5号齿上从而形成y相绕组，漆包线绕在第3号齿上后顺时针从铁磁框架的外边缘走线再绕在第7号齿上从而形成x相绕组；
[0027]
漆包线绕在第2号齿上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第6号齿上从而形成α相绕组，漆包线绕在第4号齿上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第8号齿上从而形成β相绕组。
[0028]
优选地，当m取值为4时，铁磁框架有16个线槽和16个齿，16个线槽分别是第1号线槽、第2号线槽、第3号线槽、第4号线槽、第5号线槽、第6号线槽、第7号线槽、第8号线槽、第9号线槽、第10号线槽、第11号线槽、第12号线槽、第13号线槽、第14号线槽、第15号线槽、第16
号线槽，16个齿分别是第1号齿、第2号齿、第3号齿、第4号齿、第5号齿、第6号齿、第7号齿、第8号齿、第9号齿、第10号齿、第11号齿、第12号齿、第13号齿、第14号齿、第15号齿、第16号齿，漆包线绕在第1号齿上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第8号齿上，接着绕在第9号齿上，然后顺时针从铁磁框架外边缘走线最后绕在第16号齿上，从而形成y相绕组；漆包线绕在第5号齿后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第12号齿上，接着绕在第13号齿，然后顺时针从铁磁框架外边缘走线最后绕在第4号齿上，从而形成x相绕组；
[0029]
漆包线绕在第3号齿后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕第10号齿上，接着绕在第11号齿上，然后顺时针从铁磁框架外边缘走线最后绕在第2号齿上，从而形成α相绕组；漆包线绕在第7号齿上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第14号齿上，接着绕在第15号齿上，然后顺时针从铁磁框架外边缘走线最后绕在第6号齿上，从而形成β相绕组。
[0030]
本发明的有益效果是，扫描消像散集成装置集成一体化，通过选择扫描绕组和消像散绕组相同参数，便于实现电子束粉末床增材制造装备电子枪宽幅扫描过程电子束斑快速同步矫正；扫描消像散集成装置缩短了电子束的飞行路程，有利于电子束的聚焦及降低像散程度；扫描绕组和消像散绕组对称分布提高了铁磁框架线槽的利用率。
[0031]
本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
[0032]
图1是电子束粉末床增材制造装备电子枪的结构示意图；
[0033]
图2是扫描消像散集成装置的纵向剖视图；
[0034]
图3是图2中p方向视图；
[0035]
图4是图2所示结构去掉绕组线圈后，铁磁框架的纵向剖视图；
[0036]
图5是图4中p方向视图；
[0037]
图6是扫描消像散集成装置的扫描绕组及消像散绕组的绕线方式原理图；
[0038]
图7是扫描消像散集成装置的铁磁框架有8个线槽和8个齿情况下，扫描绕组的y相绕组布局示意图；
[0039]
图8是扫描消像散集成装置的铁磁框架有8个线槽和8个齿情况下，扫描绕组的x相绕组布局示意图；
[0040]
图9是扫描消像散集成装置的铁磁框架有8个线槽和8个齿情况下，消像散绕组的α相绕组布局示意图；
[0041]
图10是扫描消像散集成装置的铁磁框架有8个线槽和8个齿情况下，消像散绕组的β相绕组布局示意图；
[0042]
图11是扫描消像散集成装置的铁磁框架有16个线槽和16个齿情况下，扫描绕组的y相绕组布局示意图；
[0043]
图12是扫描消像散集成装置的铁磁框架有16个线槽和16个齿情况下，扫描绕组的x相绕组布局示意图；
[0044]
图13是扫描消像散集成装置的铁磁框架有16个线槽和16个齿情况下，消像散绕组的α相绕组布局示意图；
[0045]
图14是扫描消像散集成装置的铁磁框架有16个线槽和16个齿情况下，消像散绕组的β相绕组布局示意图。
[0046]
图中符号说明：
[0047]
1.阴极，2.聚束极，3.阳极，4.合轴装置，5.聚焦装置；6.扫描消像散集成装置，7.电子束，8.工件，9.铁磁框架，10.绕组线圈；表示向纸面内方向，
⊙
表示向纸面外方向。
具体实施方式
[0048]
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0049]
如图1所示，电子束粉末床增材制造装备电子枪包括依次呈同轴对中自上而下布设的阴极1、聚束极2、阳极3、合轴装置4、聚焦装置5和扫描消像散集成装置6；阴极1产生的电子束7在高压加速力场的作用下依次经过聚束极2、阳极3、合轴装置4、聚焦装置5、扫描消像散集成装置6后汇聚到工件8上。
[0050]
阴极1、聚束极2、阳极3、合轴装置4、聚焦装置5均采用现有技术中电子枪的常规结构，阴极1产生的电子束7，虽然初始发射方向有所偏差，但在穿过聚束极2、阳极3、合轴装置4时，已经得相应约束，方向较轴中心集中，再通过电磁透镜聚焦装置5时，聚焦装置5产生的可控磁场会使电子束7加速向轴中心聚拢，进而汇聚成一个理想斑点落到相应高度的工件8上。
[0051]
本发明的技术改进在于设置扫描消像散集成装置6，如图2和3所示，扫描消像散集成装置6采用隐极结构形式，主要由铁磁框架9、绕组线圈10组成，绕组线圈10包括扫描绕组和消像散绕组；铁磁框架9由高频导磁材料制造而成，呈轴对称的圆柱状环形结构，铁磁框架9是整个扫描消像散集成装置的结构支撑及包围体。如图4和5所示，铁磁框架9的内壁开有轴向延伸并按圆周等分的4m个线槽(m为不小于2的偶数)，槽号可以依次标记为1,2，
…
，4m，铁磁框架9内壁围成的空腔构成扫描消像散集成装置6磁场有效作用空间(该空间即作为带电粒子束通过该偏转扫描装置的飞行通道)，为电子束7实现偏转并伴随畸形矫正的加载区域。相邻两个线槽之间形成齿，也就是说有4m个齿。
[0052]
扫描绕组和消像散绕组共同占据全部4m个线槽。
[0053]
参考图2和3及6，扫描绕组包括x、y两相绕组，由漆包线或多股丝包线绕制而成，x、y两相绕组轴线相差弧度角，x相绕组占据一部分线槽，y相绕组占据一部分线槽，各线槽中绕组匝数在铁磁框架9纵截面上沿圆周按正弦规律量化分布，即每相绕组在各线槽中集中放置，各线槽绕组匝数代表圆周圆弧内匝数的总和，x相绕组在第n(n＝1，2，
…
，4m)号槽中匝数系数k
xn
,则：
[0054][0055]
公式(1)中，k
xn
为负值表示绕向相反，x相绕组在第n号槽中匝数为：
[0056]zxn
＝k
xn
μ
x
ꢀꢀꢀ
(2)
[0057]
公式(2)中，μ
x
为扫描绕组中x相绕组匝数基准值，通过指定k
xn
的非0最小值k
xmin
对应的匝数为某一整数值z
xmin
，计算μ
x
值，即：
4、第5号线槽9-5、第6号线槽9-6、第7号线槽9-7、第8号线槽9-8，8个齿分别是第1号齿901、第2号齿902、第3号齿903、第4号齿904、第5号齿905、第6号齿906、第7号齿907、第8号齿908，漆包线绕在第1号齿901上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第5号齿905上从而形成y相绕组，漆包线绕在第3号齿903上后顺时针从铁磁框架9的外边缘走线再绕在第7号齿907上从而形成x相绕组(如图8所示)，x、y两相绕组轴线相差弧度角。如图9所示，漆包线绕在第2号齿902上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第6号齿906上从而形成α相绕组，漆包线绕在第4号齿904上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第8号齿908上从而形成β相绕组(如图10所示)，α、β两相绕组轴线相差弧度角。α相绕组轴线与x相绕组轴线差弧度角，β相绕组轴线与y相绕组轴线差弧度角。
[0072]
针对扫描消像散集成装置6进行举例，当m取值为4时，如图11所示，铁磁框架9有16个线槽和16个齿，16个线槽分别是第1号线槽9-1、第2号线槽9-2、第3号线槽9-3、第4号线槽9-4、第5号线槽9-5、第6号线槽9-6、第7号线槽9-7、第8号线槽9-8、第9号线槽9-9、第10号线槽9-10、第11号线槽9-11、第12号线槽9-12、第13号线槽9-13、第14号线槽9-14、第15号线槽9-15、第16号线槽9-16，16个齿分别是第1号齿901、第2号齿902、第3号齿903、第4号齿904、第5号齿905、第6号齿906、第7号齿907、第8号齿908、第9号齿909、第10号齿910、第11号齿911、第12号齿912、第13号齿913、第14号齿914、第15号齿915、第16号齿916，漆包线绕在第1号齿901上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第8号齿908上，接着绕在第9号齿909上，然后顺时针从铁磁框架外边缘走线最后绕在第16号齿916上，从而形成y相绕组；如图12所示，漆包线绕在第5号齿905后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第12号齿912上，接着绕在第13号齿913，然后顺时针从铁磁框架外边缘走线最后绕在第4号齿904上，从而形成x相绕组，x、y两相绕组轴线相差弧度角；如图13所示，漆包线绕在第3号齿903后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕第10号齿910上，接着绕在第11号齿911上，然后顺时针从铁磁框架外边缘走线最后绕在第2号齿902上，从而形成α相绕组；如图14所示，漆包线绕在第7号齿907上后顺时针从铁磁框架外边缘走线再绕在第14号齿914上，接着绕在第15号齿915上，然后顺时针从铁磁框架外边缘走线最后绕在第6号齿906上，从而形成β相绕组。α、β两相绕组轴线相差弧度角。α相绕组轴线与x相绕组轴线差弧度角，β相绕组轴线与y相绕组轴线差弧度角。
[0073]
本发明的扫描消像散集成装置6结构精简，通过扫描消像散集成装置6的设置使电子枪具有同轴度高、输出精度高等优点。
[0074]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的零件构型、驱动装置以及连接方式不经创造性的设计与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。