電子束轟擊爐電子光路系統電源裝置的製作方法
2023-10-30 05:11:02 1
專利名稱：電子束轟擊爐電子光路系統電源裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電子束電熱設備，具體為電子束轟擊爐電子光路系統電 源裝置。
(二)
背景技術：
電子束轟擊爐是利用高速電子轟擊爐料時所產生的熱能來進行熔煉和加 熱的一種電熱設備，是一種綜合了真空物理、材料科學、電子技術、電子光 學、高電壓技術、計算機和控制技術等多種技術的高科技產品，與其它真空 熔煉爐相比，功率密度高，可用於貴重、稀有、難熔金屬的熔煉和精煉，爐 內真空度高，容易製備各種高純材料或特殊合金以及用於熔煉優質特殊鋼和 鈦廢屑回收等，此外還具有無耐火材料對爐料汙染的優點。
電子束轟擊爐的關鍵技術是電子束髮生器(電子槍)及其電源。電子束 轟擊爐多採用間熱式陰極軸向電子槍，其中電子光路系統的任務是將電子槍 中形成的束流參數變換為作用點所需要的電子束流參數。電子光路系統由兩 級磁透鏡和偏轉掃描器組成，其工作電源包括兩套聚焦電源和兩路偏轉掃描 電源，它們工作於低壓端。
目前電子束轟擊爐電子光路系統電源控制方法及其電源裝置是基於電子 束加速電壓為穩定值的前提下工作的，聚焦電源和偏轉掃描電源各為獨立控 制的電源系統，與加速電壓無關聯。在運行過程，如果某種原因引發加速電 壓波動，電子束焦點的位置、偏轉的角度和掃描的區域將發生變化。
電子束轟擊爐主電源(加速電源)採用開環控制及三相市電全波供電可 實現綠色電源和節能的運行效果，但運行過程加速電壓會產生隨機波動，這 種情況下，獨立控制的電子光路電源系統將不能滿足熔煉工藝要求。
電子束轟擊爐如果發生故障(如產生高壓放電現象)加速電壓大幅度變 化時，電子束焦點位置和偏轉掃描區域的變化將有可能超出允許範圍，造成 電子束脫靶的不良後果。
因此需要分析加速電壓對電子光路的影響機理，結合電子束轟擊爐熔煉 工藝對電子光路的實際要求，設計一種在電子束轟擊爐的加速電壓波動時，能夠自動穩定電子束焦點位置和偏轉掃描區域的新的電子光路系統電源控制 方法及電源裝置。
實用新型內容
本實用新型的目的是設計一種電子束轟擊爐電子光路系統的電源裝置， 以電子束髮生系統電源的加速電壓取樣信號作為聚焦電源和偏轉掃描電源的 控制信號，電子束的焦點及偏轉掃描區域不受加速電壓變化影響，為電子束 轟擊爐穩定可靠工作奠定基礎。
電子光路系統的任務是將電子槍中形成的束流參數變換為作用點所需要 的束流參數。其工作電源包括聚焦電源和偏轉掃描電源。
由於電子束因斥力和空間電荷作用而具有徑向分量速度使束髮散，所以 使電子束聚焦是導向和維持電子束外形的一種措施。電子束轟擊爐電子光路 系統採用磁聚焦方法。
偏轉和掃描的作用是保證電子束在靶上的位置合理，功率分布均勻，在 電子束轟擊爐電子光學系統中採用磁偏轉方法。
本實用新型設計的電子束轟擊爐電子光路系統電源裝置包括分別接至第
一、第二磁透鏡線圈的兩組聚焦電源以及分別接至X、 Y軸方向偏轉掃描線圈 的兩組偏轉掃描電源。
從電子束髮生系統的電源裝置引出加速電壓線性取樣信號接入開方器， 開方器的輸出端分別接入兩組聚焦電源和兩組偏轉掃描電源的控制電路。
兩組聚焦電源的結構相同，均包括聚焦整流濾波電路，聚焦電流取樣電 阻，續流二極體，高速開關功率管，聚焦電流設定電位器，聚焦電流控制器。 聚焦整流濾波電路為雙極性整流電路結構，兩個幅值相等相位相反的交流電 源以三線制形式接入聚焦整流濾波電路，交流電轉換成平直的雙極性直流電； 聚焦整流濾波電路輸出的正端接入高速開關功率管的輸入端，負端與續流二 極管的陽極相接，參考端與聚焦線圈的一端相連；高速開關功率管的輸出端 與續流二極體的陰極相接，並經聚焦電流取樣電阻接入聚焦線圈的另一端； 聚焦電流取樣電阻兩端輸出正比於聚焦電流大小的電壓信號作為聚焦電流負 反饋信號接入聚焦電流控制器；聚焦電流設定電位器的輸入端與開方器的輸 出端相連，其輸出端接入聚焦電流控制器，送入聚焦電流的設定值信號。聚 焦電流控制器的輸出端接入高速開關功率管的控制端。聚焦電流控制器為電 流滯環跟蹤脈衝調製控制器，當聚焦電流反饋信號小於設定值信號某一數值時，聚焦電流控制器控制高速開關功率管導通，聚焦整流濾波電路輸出的正 電源向聚焦線圈充電使得聚焦電流升高，當聚焦電流反饋信號大於設定值信 號某一數值時，聚焦電流控制器控制高速開關功率管關斷，聚焦線圈經續流 二極體向聚焦整流濾波電路輸出的負電源放電使得聚焦電流降低，此過程反 復進行，控制聚焦電流在以希望值為中心線上下小範圍內高頻振蕩。聚焦電 源採用雙極性直流供電和電流滯環跟蹤脈衝調製控制方式，聚焦電流相對希 望值被限制在很小範圍內變化能夠滿足熔煉工藝對電子束焦點位置穩定度的 要求，而當加速電壓變化時聚焦電流希望值跟隨變化，聚焦電流伺服響應時 間極短。調節聚焦電流設定電位器，電子束焦點位置將隨之發生變化。在某 加速電壓值下，調節電子束焦點到合適位置，固定好該設定電位器，當工作 過程加速電壓發生變化，聚焦電源控制電路自動調節聚焦電流，聚焦電流有 規律地隨加速電壓變化，電子束焦點位置基本不變。
兩組偏轉掃描電源的結構相同,包括偏轉掃描整流濾波電路，偏轉掃描電 流取樣電阻，高速開關推挽電路，掃描信號發生器，偏轉電流設定電位器， 乘法器，偏轉掃描電流控制器。偏轉掃描整流濾波電路為雙極性整流電路結 構，兩個幅值相等相位相反的交流電源以三線制形式接入偏轉掃描整流濾波
電路，交流電轉換成平直的雙極性直流電；偏轉掃描整流濾波電路輸出的正、 負端分別接入高速開關推挽電路的正、負輸入端，參考端與偏轉掃描線圈的 一端相連；高速開關推挽電路的輸出端經偏轉掃描電流取樣電阻接入偏轉掃 描線圈的另一端；偏轉掃描電流取樣電阻兩端輸出正比於偏轉掃描電流大小 的電壓信號作為偏轉掃描電流負反饋信號接入偏轉掃描電流控制器；偏轉電 流設定電位器輸出偏轉電流的設定值信號，掃描信號發生器輸出掃描電流波 形及幅值設定信號，此兩信號疊加綜合後接入乘法器的一輸入端，加速電壓 取樣信號經開方器後接入乘法器另一輸入端，乘法器輸出作為偏轉掃描電流 的總設定值信號接到偏轉掃描電流控制器的輸入端；偏轉掃描電流控制器的 輸出端接入高速開關推挽電路的控制端。偏轉掃描電流控制器為電流滯環跟 蹤脈衝調製控制器，當偏轉掃描線圈需要通入正向電流時，如果反饋信號小 於設定值信號某一數值，偏轉掃描電流控制器控制高速開關推挽電路中的與 偏轉掃描整流濾波電路輸出正端相接的上橋臂功率開關管開通，與偏轉掃描 整流濾波電路輸出負端相接的下橋臂功率開關管關斷，偏轉掃描整流濾波電 路輸出的正電源向偏轉掃描線圈充電使得偏轉掃描電流升高，直到偏轉掃描 電流反饋信號大於設定值信號某一數值，偏轉掃描電流控制器控制推挽電路中的上橋臂功率開關管關斷，下橋臂功率開關管開通，由於偏轉掃描線圈中 的電流不能突變，下橋臂功率開關管承受反壓並無電流通過，偏轉掃描線圈 中的電流需經下橋臂續流二極體向偏轉掃描整流濾波電路輸出的負電源放電 使得偏轉掃描電流降低，此過程反覆進行，控制偏轉掃描電流在以希望值為 中心線的上下小範圍內高頻振蕩；當偏轉掃描線圈需要通入反向電流時，工 作情況與上述相反，偏轉掃描電流仍被控制在以希望值為中心線的上下小範 圍內高頻振蕩；當偏轉掃描線圈中的電流需要轉向時，上、下橋臂功率開關 管換流先經續流二極體續流緩衝階段，此階段偏轉掃描線圈中的電流向反向 電源放電衰減至零，然後由反向電源反方向充電才完成換流。偏轉掃描電源 採用雙極性直流供電和電流滯環跟蹤脈衝調製控制方式，偏轉掃描電流相對 希望值被限制在很小範圍內變化能夠滿足熔煉工藝對電子束偏轉角度和掃描 區域穩定度的要求，而當加速電壓變化時偏轉掃描電流希望值跟隨變化，偏 轉掃描電流伺服響應時間極小。在某加速電壓值下，調節偏轉設定電位器， 讓電子束按工藝要求向某個方位偏轉合適的角度，同時在掃描信號發生器中 選定掃描波形及幅值。當工作過程加速電壓發生變化，偏轉掃描電流總設定 值信號有規律地跟隨加速電壓變化，電子束偏轉的角度和掃描的區域的變化 被抑制在很小的範圍內。
本實用新型電子束轟擊爐電子光路系統電源裝置的優點為聚焦電流和 偏轉掃描電流自動跟蹤加速電壓變化，加速電壓正常波動時，電子束焦點位 置和偏轉掃描的區域基本保持不變；如果發生故障(如產生高壓放電現象) 加速電壓大幅度變化時，電子束焦點位置和偏轉掃描區域的變化被及時抑制 在允許範圍之內，避免電子束脫耙，打到坩鍋或爐體上造成損壞。電源裝置 採用雙極性直流供電和電流滯環跟蹤脈衝調製控制方式，電源工作電流在滿 足穩態偏差性能指標的前提下，具有更快的動態跟隨性能指標。
圖1為本實用新型電子束轟擊爐電子光路系統電源裝置實施例結構示意
圖，
l一電子束髮生系統，2 —第一聚焦線圈，3—第二聚焦線圈，4一偏轉掃 描線圈，5—電子束，6—靶(熔池)，7—電子束髮生系統電源，8—聚焦電源， 9一偏轉掃描電源，IO—開方器。
圖2為圖1中聚焦電源8結構示意圖，8-l—聚焦整流濾波電路，8-2 —聚焦線圈，8-3—聚焦電流取樣電阻，8-4—續流二極體，8-5 —高速開關功率 管，8-6—聚焦電流設定電位器，8-7—聚焦電流控制器。
圖3為圖1中偏轉掃描電源9結構示意圖，9-l一偏轉掃描整流濾波電路， 9-2—偏轉掃描線圈，9-3—偏轉掃描電流取樣電阻，9-4—高速開關推挽電路， 9-5—掃描信號發生器，9-6—偏轉電流設定電位器，9-7—乘法器，9-8—偏 轉掃描電流控制器。
具體實施方式
本實用新型電子束轟擊爐電子光路系統電源裝置實施例如圖1所示，電 子束髮生系統1產生的電子束經過電子束轟擊爐的電子光學系統對其聚焦和 對其偏轉掃描調整後，電子束合理分布於靶6上進行加熱熔煉。電子束光學 系統有作為聚焦磁透鏡的第一聚焦線圈2和第二聚焦線圈3，還有偏轉掃描 線圈4。 二聚焦線圈2、 3的聚焦電源8的結構和聚焦電流的控制規律相同。 偏轉掃描線圈4有兩對磁極的線圈，在電子槍中對稱安裝， 一對磁極磁場使 得電子束沿X軸偏轉，另一對磁極磁場使得電子束沿Y軸偏轉。兩對磁極磁 場的共同作用，使得電子束沿徑向平面任意偏轉。磁場強度通過偏轉掃描線 圈的勵磁電流來控制，兩對磁極的勵磁電源9和勵磁電流控制規律相同。從 電子束髮生系統的電源裝置7引出加速電壓線性取樣信號Ua接入開方器10， 開方器10輸出VU;信號分別接入兩組聚焦電源8和兩組偏轉掃描電源9的控 制電路。
圖2所示為圖1中聚焦電源8的電路結構示意圖。包括聚焦整流濾波電 路8-l，聚焦電流取樣電阻8-3，續流二極體8-4，高速開關功率管8-5，聚 焦電流設定電位器8-6，聚焦電流控制器8-7。聚焦整流濾波電路8-1為雙極 性整流電路結構，兩個幅值相等相位相反的交流電源IW、 U^以三線制形式 接入聚焦整流濾波電路8-1,構成雙極性直流供電裝置；聚焦整流濾波電路 8-1輸出的正端接入高速開關功率管8-5的輸入端，其輸出的負端與續流二 極管8-4的陽極相接，其輸出的參考端與聚焦線圈8-2的一端相連；高速開 關功率管8-5的輸出端與續流二極體8-4的陰極相接，並經聚焦電流取樣電 阻8-3接入聚焦線圈8-2的另一端；聚焦電流取樣電阻8-3兩端輸出正比於 聚焦電流lF大小的電壓信號If作為聚焦電流負反饋信號接入聚焦電流控制器 8-7;聚焦電流設定電位器8-6的輸入端與開方器10的輸出端相連，聚焦電 流設定電位器8-6的輸出端接入聚焦電流控制器8-7,送入聚焦電流的設定值信號I;。聚焦電流控制器8-7的輸出端接入高速開關功率管8-5的控制端。 聚焦電流控制器8-7為電流滯環跟蹤脈衝調製控制器，聚焦電流設定值信號 I;與反饋信號If比較產生偏差信號AIf，即AI「I;-If，當AIf為負且幅值大於某 一設定值時，聚焦電流控制器8-7控制高速開關功率管8-5導通，聚焦整流 濾波電路8-1輸出的正電源向聚焦線圈8-2充電使得聚焦電流If升高，直到 AIf為正且幅值大於某一設定值時，聚焦電流控制器8-7控制高速開關功率管
8- 5關斷，聚焦線圈8-2中電流Ip經續流二極體8-4向聚焦整流濾波電路8-1 輸出的負電源放電使得聚焦電流lF降低，此過程反覆進行，控制聚焦電流lF 在以希望值為中心線上下小範圍內高頻振蕩。
圖3所示為本實用新型實施例中偏轉掃描電源電路結構。包括偏轉掃描 整流濾波電路9-l，偏轉掃描電流取樣電阻9-3，高速開關推挽電路9-4，掃 描信號發生器9-5,偏轉電流設定電位器9-6，乘法器9-7，偏轉掃描電流控 制器9-8。偏轉掃描整流濾波電路9-1為雙極性整流電路結構，兩個幅值相 等相位相反的交流電源UAC3、 UAC4以三線制形式接入偏轉掃描整流濾波電路
9- 1;偏轉掃描整流濾波電路9-1輸出的正、負端分別接入高速開關推挽電路 9-4的正、負輸入端，其輸出的參考端與偏轉掃描線圈9-2的一端相連；高 速開關推挽電路9-4的輸出端經偏轉掃描電流取樣電阻9-3接入偏轉掃描線 圈9-2的另一端；偏轉掃描電流取樣電阻9-3兩端輸出正比於偏轉掃描電流
Ids大小的電壓信號Ids作為偏轉掃描電流負反饋信號接入偏轉掃描電流控制
器9-8;偏轉電流設定電位器9-6輸出偏轉電流的設定值信號I〗，掃描信號 發生器9-5輸出掃描電流波形及幅值設定信號I;，此兩信號疊加綜合後接入
乘法器9-7的一輸入端，加速電壓取樣信號U。經開方器10後的信號vu:接
入乘法器9-7另一輸入端，乘法器9-7輸出信號作為偏轉掃描電流1。s總設定 信號&接到偏轉掃描電流控制器9-8的輸入端；偏轉掃描電流控制器9-8的 輸出端接入高速開關推挽電路9-4的控制端。偏轉掃描電流控制器9-8為電 流滯環跟蹤脈衝調製控制器，偏轉掃描電流Ins總設定信號4與反饋信號Ids 比較產生偏轉掃描電流lDs的偏差信號A、，即AU^-U,如果偏轉掃描線圈 9-2需要通入正向電流，當AId,為負且幅值大於某設定值時，偏轉掃描電流控 制器9-8控制高速開關推挽電路9-4中的上橋臂功率開關管開通，下橋臂功 率開關管關斷，偏轉掃描整流濾波電路9-l輸出的正電源向偏轉掃描線圈9-2 充電使得偏轉掃描電流Ls升高，直到A^為正且幅值大於某設定值時，偏轉 掃描電流控制器9-8控制推挽電路中的上橋臂功率開關管關斷，下橋臂功率開關管開通，由於偏轉掃描線圈中的電流不能突變，下橋臂功率開關管承受
反壓並無電流通過，偏轉掃描線圈9-2中的電流1。s需經下橋臂續流二極體向 偏轉掃描整流濾波電路9-1輸出的負電源放電使得偏轉掃描電流Ids降低，此
過程反覆進行，控制偏轉掃描電流Ios在以希望值為中心線上下小範圍內高頻
振蕩；當偏轉掃描線圈9-2需要通入反向電流時，工作情況與上述相反，偏 轉掃描電流Ls亦被控制在以希望值為中心線上下小範圍內高頻振蕩；當偏轉 掃描線圈9-2中的電流需要轉向時，上、下橋臂功率開關管換流先經續流二 極管續流緩衝階段，此階段偏轉掃描線圈9-2中的電流Ins向反向電源放電衰 減至零，然後由反向電源反方向充電才完成換流。
本實用新型實施例電源裝置聚焦電流和偏轉掃描電流自動跟蹤加速電壓 變化，聚焦線圈和偏轉掃描線圈的勵磁電源採用雙極性直流供電和電流滯環 跟蹤脈衝調製技術，兩者工作電流在滿足穩態偏差性能指標的前提下，具有 更快的動態跟隨性能指標。
權利要求1、一種電子束轟擊爐電子光路系統電源裝置，電子束髮生系統(1)產生的電子束經過電子束轟擊爐的電子光學系統對其聚焦和對其偏轉掃描調整後，電子束合理分布於靶(6)上進行加熱熔煉；電子束光學系統有作為聚焦磁透鏡的第一聚焦線圈(2)和第二聚焦線圈(3)，還有偏轉掃描線圈(4)；二聚焦線圈(2、3)的聚焦電源(8)的結構和聚焦電流的控制規律相同，偏轉掃描線圈(4)有兩對磁極的線圈，在電子槍中對稱安裝，一對磁極磁場使得電子束沿徑向平面的X軸偏轉，另一對磁極磁場使得電子束沿徑向平面的Y軸偏轉，兩對磁極的偏轉掃描電源(9)和勵磁電流控制規律相同；其特徵在於從電子束髮生系統(1)的電源裝置(7)引出加速電壓線性取樣信號接入開方器(10)，開方器(10)的輸出端分別接入兩組聚焦電源(8)和兩組偏轉掃描電源(9)的控制電路；聚焦電源(8)包括聚焦整流濾波電路(8-1)，聚焦電流取樣電阻(8-3)，續流二極體(8-4)，高速開關功率管(8-5)，聚焦電流設定電位器(8-6)，聚焦電流控制器(8-7)；聚焦整流濾波電路(8-1)為雙極性整流電路結構，兩個幅值相等相位相反的交流電源(UAC1、UAC2)以三線制形式接入聚焦整流濾波電路(8-1)；聚焦整流濾波電路(8-1)輸出的正端接入高速開關功率管(8-5)的輸入端，其輸出的負端與續流二極體(8-4)的陽極相接，其輸出的參考端與聚焦線圈(8-2)的一端相連；高速開關功率管(8-5)的輸出端與續流二極體(8-4)的陰極相接，並經聚焦電流取樣電阻(8-3)接入聚焦線圈(8-2)的另一端；聚焦電流取樣電阻(8-3)兩端輸出的電壓信號作為聚焦電流負反饋信號接入聚焦電流控制器(8-7)；聚焦電流設定電位器(8-6)的輸入端與開方器(10)的輸出端相連，聚焦電流設定電位器(8-6)的輸出端接入聚焦電流控制器(8-7)，聚焦電流控制器(8-7)的輸出端接入高速開關功率管(8-5)的控制端；偏轉掃描電源(9)包括偏轉掃描整流濾波電路(9-1)，偏轉掃描電流取樣電阻(9-3)，高速開關推挽電路(9-4)，掃描信號發生器(9-5)，偏轉電流設定電位器(9-6)，乘法器(9-7)，偏轉掃描電流控制器(9-8)；偏轉掃描整流濾波電路(9-1)為雙極性整流電路結構，兩個幅值相等相位相反的交流電源(UAC3、UAC4)以三線制形式接入偏轉掃描整流濾波電路(9-1)；偏轉掃描整流濾波電路(9-1)輸出的正、負端分別接入高速開關推挽電路(9-4)的正、負輸入端，其輸出的參考端與偏轉掃描線圈(9-2)的一端相連；高速開關推挽電路(9-4)的輸出端經偏轉掃描電流取樣電阻(9-3)接入偏轉掃描線圈(9-2)的另一端；偏轉掃描電流取樣電阻(9-3)兩端輸出的電壓信號作為偏轉掃描電流負反饋信號接入偏轉掃描電流控制器(9-8)；偏轉電流設定電位器(9-6)輸出偏轉電流的設定值信號和掃描信號發生器(9-5)輸出掃描電流波形及幅值設定信號疊加綜合後接入乘法器(9-7)的一輸入端，加速電壓取樣信號經開方器(10)後接入乘法器(9-7)另一輸入端，乘法器(9-7)輸出接到偏轉掃描電流控制器(9-8)的輸入端；偏轉掃描電流控制器(9-8)的輸出端接入高速開關推挽電路(9-4)的控制端。
2、根據權利要求1所述的電子束轟擊爐電子光路系統電源裝置，其特徵 在於所述聚焦電流控制器(8-7)為電流滯環跟蹤脈衝調製控制器；所述偏轉 掃描電流控制器(9-8)為電流滯環跟蹤脈衝調製控制器。
專利摘要本實用新型為電子束轟擊爐電子光路系統電源裝置，本電源裝置將加速電壓取樣信號接開方器後分別接入聚焦和偏轉掃描電源控制電路，採用電流滯環跟蹤脈衝調製控制器為二電源的控制器，工作電流在希望值上下小幅振蕩。以加速電壓取樣信號開方值信號控制聚焦電流，以偏轉掃描綜合信號與加速電壓取樣信號開方值的乘積為總控制信號控制偏轉掃描電流，使電子束的焦距和偏轉掃描區域不受加速電壓變化影響，故障時電子束焦距和偏轉掃描區域的變化被抑制在允許範圍內。
文檔編號H05B7/00GK201138876SQ200820104018
公開日2008年10月22日 申請日期2008年1月9日 優先權日2008年1月9日
發明者李海標, 莫金海, 韋壽祺 申請人:桂林電子科技大學