基于栅偏电压恒定的电子枪灯丝加热电流自动整定方法与流程

本发明涉及电子束加工设备技术领域，具体涉及一种基于栅偏电压恒定的电子枪灯丝加热电流自动整定方法。

背景技术：

采用轴对称皮尔斯电子枪的电子束加工设备，其阴极发射电子束流受温度限制状态和空间电荷限制状态。为了提高电子束的品质，现有电子束加工设备温度限制状态为饱和发射，在空间电荷限制状态下，加速电压为恒定值，采用改变栅偏电压-U_b来改变阴极的有效发射面积的方法来控制电子束流，其中阴极（灯丝）采用恒流控制方式。

然而，由于不同灯丝间材质及几何尺寸的差异，将导致灯丝饱和加热电流不同；即使同一根灯丝随着工作时间的累积，其所需的饱和加热电流亦有所变化；另外灯丝的装配及加热微变形都会影响其发射电子能力。这种固定的灯丝电流工作制，灯丝阴极易要么工作于过深饱和状态，影响其使用寿命；要么工作于欠饱和状态，影响电子束的品质。

为了既充分发挥三极皮尔斯电子枪电子束品质性能，又能最大限度的延长灯丝阴极寿命，需对灯丝加热电流饱和程度进行量化的判断及控制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有电子束加工设备无法兼顾电子束品质和灯丝阴极使用寿命的问题，提供一种基于栅偏电压恒定的电子枪灯丝加热电流自动整定方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于栅偏电压恒定的电子枪灯丝加热电流自动整定方法，包括如下步骤：

步骤1、栅偏电压稳定于-U_B，逐渐增加灯丝电流使得电子束流达到设定的最小电子束流I_Bmin并保持稳定，记录此时灯丝稳定电流I_Fmin；

步骤2、保持栅偏电压为-U_B，继续增加灯丝电流达到设定的灯丝基准电流I_F1，并记录此时基准的稳态电子束流I_B1；

步骤3、保持栅偏电压为-U_B，让灯丝电流增加1个固定微量δ_f，并记录第一次增量的稳态电子束流相对于基准的稳态电子束流的变化量δ_b1；

步骤4、保持栅偏电压为-U_B，让灯丝电流再增加1个固定微量δ_f，并记录第二次增量的稳态电子束流相对于第一次增量的稳态电子束流的变化量δ_b3；

步骤5、保持栅偏电压为-U_B，让灯丝电流减小3个固定微量δ_f，并记录第一次减量的稳态电子束流相对于基准的稳态电子束流的变化量δ_b2；

步骤6、保持栅偏电压为-U_B，让灯丝电流再减小1个固定微量δ_f，并记录第二次减量的稳态电子束流相对于第一次减量的稳态电子束流的变化量δ_b4；

步骤7、计算相对电子束流与相对灯丝加热电流关系式的常数，即指数系数α和相对饱和电子束流I_bmax；其中

步骤8、设定灯丝工作电流饱和度σ，并计算灯丝工作电流I_F2；其中

上述方案中，栅偏电压-U_B的取值范围为50%～80%栅偏截止电压值。

上述方案中，最小电子束流I_Bmin的取值范围为1%～10%额定电子束流值。

上述方案中，最小电子束流I_Bmin介于0.5mA～10mA之间。

上述方案中，设定的灯丝基准电流I_F1比灯丝稳定电流I_Fmin大5%～20%。

上述方案中，固定微量δ_f为1个灯丝电流数字设定的最小分辨率值。

上述方案中，灯丝工作电流饱和度σ的取值范围为75%～95%。

与现有技术相比，本发明通过对灯丝加热电流饱和程度进行量化的判断及控制，从而既充分发挥三极皮尔斯电子枪电子束品质性能，又能最大限度地延长灯丝阴极寿命。

附图说明

图1为电子枪电子束流与灯丝加热电流关系图。

图2为基于栅偏电压恒定的电子枪灯丝加热电流自动整定方法的流程图。

具体实施方式

本发明基于栅偏电压恒定的电子枪灯丝加热电流自动整定方法的原理如下：

三极皮尔斯电子枪加速电压稳定于U_A值，而栅偏电压恒定为-U_B值，在灯丝电流达到一定值后，电子束流I_B与灯丝电流I_F呈以自然数e为底的指数函数关系，如图1所示。定义灯丝电流I_F与最小灯丝电流I_Fmin的差值为相对灯丝电流I_f=I_F-I_Fmin，定义电子束流I_B与最小电子束流I_Bmin的差值为相对电子束流则在灯丝电流超过一定值后，相对电子束流I_b与相对灯丝加热电流I_f关系式为

其中，I_bmax为相对饱和电子束流，对应的电子束流为饱和电子束流I_Bmax，α为指数系数。最小电子束流值I_Bmin由经验设定，最小电子束流值I_Bmin所对应的灯丝电流值为最小灯丝电流I_Fmin。最小灯丝电流I_Fmin、相对饱和电子束流I_bmax和指数常数α由实验数据获得。根据指数函数的性质有：

式（1）的一阶导数：

式（1）的二阶导数：

由式（1）、式（2）和式（3）可解出：

通过试验确定某一灯丝电流值I_F1（I_F1>I_Fmin）所对应的电子束流值I_B1，并确定电子枪在（I_B1，I_F1）工作点函数的一阶导数值和二阶导数值由式（4）和（5）就确定了式（1）的常数和即相对电子束流I_b与相对灯丝加热电流I_f关系式为：

定义灯丝电流饱和度由式(6)可计算出灯丝工作电流值I_F2，即

一种基于栅偏电压恒定的电子枪灯丝加热电流自动整定方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

第一步：准备工作。

①在真空工作室内放置接收电子束的金属板，防止试验过程电子束误射到工作室内壁或设备其它部件上。

②关闭工作室门，启动真空机组对电子枪室及工作室抽气。

③设定参数：加速电压U_A按工作电压要求设定，一般为额定电压；试验栅偏电压值-U_B取值范围为50%～80%栅偏截止电压值；最小电子束流值I_Bmin取值范围为1%～10%额定电子束流值或0.5～10mA；试验灯丝电流I_F1按其比最小电子束流值I_Bmin所对应的灯丝电流值I_Fmin大5%～20%设定，即对应的相对灯丝电流值I_f1=(5%～20%)I_Fmin；灯丝电流微变量δ_f设定为1个灯丝电流数字设定最小分辨率值；灯丝电流饱和度σ取值范围为75%～95%。

④电子枪室及工作室真空条件满足后，选择优化灯丝常数工作状态，启动电子枪各电源，进入第二步。

第二步：试验确定电子枪某工作点的运行参数。

加速电压通过闭环控制稳定于U_A值，栅偏电压值保持为-U_B。

①逐渐增加灯丝电流使得电子束流达到设定的最小值I_Bmin并保持稳定，记录此时的灯丝电流值I_Fmin，计算确定试验灯丝电流值I_F1及其相对灯丝电流值I_f1。

②继续增加灯丝电流到试验灯丝电流值I_F1，记录稳态电子束流值I_B1。

③灯丝电流增加一个固定微量变为I_F1+δ_f，记录稳态电子束流值I_B1+δ_b1。

④灯丝电流再增加一个固定微量变为I_F1+2δ_f，记录稳态电子束流值I_B1+δ_b1+δ_b3。

⑤灯丝电流减小3个固定微量变为I_F1-δ_f，记录稳态电子束流值I_B1-δ_b2。

⑥灯丝电流再减小一个固定微量变为I_F1-2δ_f，记录稳态电子束流值I_B1-δ_b2-δ_b4，关停电子枪各电源退出试验。

第三步：计算函数表达式的常数。

根据第二步试验数据计算式（1）的常数α和I_bmax，

由于则

而则由式（4）和（5）可求出

和

第四步：计算灯丝工作电流值。

根据式（7）计算灯丝工作电流值I_F2，即

保持此计算值I_F2作为灯丝工作电流设定值，通过灯丝电源调节系统使得灯丝实际工作电流稳定于此值。

本发明在电子束加工设备上配置数字控制装置，数字控制装置对电子束加工设备运行参数具有数字设定和数字采样功能，并实现灯丝加热电流自动优化整定。更换新灯丝后需进行灯丝电流电流自动优化整定；灯丝累积工作一段时间后数字控制装置将给出提示，需及时进行灯丝电流电流自动优化整定。