铝合金强流脉冲电子束辐照熔化层尺寸数值模拟研究

强流脉冲电子束表面改性过程中熔化层尺寸是改性效果的衡量指标之一。针对改性中不同束流情况引发的温度场和融化层情况进行了仿真研究。通过对温度场变化等结果的分析,发现仅增加辐照次数不能有效增加熔化层尺寸。在总功率、辐照时间等不变的情况下可以对束斑的电流分布进行控制来实现熔化层控制。对束斑直径聚焦的仿真显示束斑尺寸对熔化层熔深熔宽均有较大影响,熔深随着束斑增大有减小趋势,熔宽则在一定束斑直径下有最大值。同时发现优化电子束电流分布是获得特定熔池尺寸的有效方法。     

高性能电子枪的物理设计

为测量电导率较低材料的二次电子发射系数,设计了一种能量在0～2ke V之间可调、束斑直径可调、可偏转、可脉冲的高性能电子枪。根据电子枪的性能指标对其电子发射、电子光学系统和电位关系进行物理设计,通过对控制极施加脉冲电压,实现电子束的脉冲发射。利用CST软件对电子枪建模并进行仿真分析,得到不同聚焦极电压对束斑尺寸的影响。仿真结果表明,在阴极电压为-1000V、控制极为-1005V、第一阳极为-880V时,随着聚焦电压由-400V增加到1000V,束斑直径由0.2mm增加到10mm,两者几乎成正比例关系。通过对比两种偏转组件,得出四极静电偏转器更适合在同一空间内使用,在工作距离为30mm、偏转电压为200V时,偏转灵敏度可达到34mm/k V,对应的偏转角为12.8°。     

平面结构磁控注入回旋电子枪的模拟设计

根据绝热压缩理论和动量守恒关系设计了W波段平面结构双阳极磁控注入回旋电子枪。利用软件EGUN对该电子枪进行了仿真模拟,分析了双阳极间距、调制阳极电压和阴极倾角等因素对电子注性能的影响,利用Opera电磁仿真软件设计了一个工作电压为34 kV,工作电流1.7 A,电子注的横纵速度比1.16,横向速度零散3.5%的平面结构双阳极磁控注入带状注回旋电子枪。该枪的电子束流具有垂直和平行于磁场的能量,最终为适应平面格栅金属放大器并产生具有一定横向速度的电子束流。     

空心阴极电子束对多弧离子镀TiAlN薄膜组织形貌及摩擦学性能的影响

采用空心阴极电子束辅助多弧离子镀的方式在WC基体上制备了TiAlN薄膜,讨论了电子束能量的大小对膜层组织形貌及摩擦学性能的影响。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、表面轮廓测试仪及材料表面微纳米力学测试系统对薄膜的相组成、微观结构、三维形貌及摩擦学性能进行了检测和分析。结果表明:在未施加空心阴极电子束作用时薄膜具有明显的(112)择优取向,随着空心阴极电流的提高,薄膜逐渐朝着多晶面生长,择优取向减弱。电子束对膜层的形貌及摩擦学性能有显著影响,随着电子束能量的提高,膜层逐渐变得致密、平整,表面粗糙度和摩擦系数均降低,抗磨损性能提高。     

场发射X射线管电子光学系统的设计和研究

设计了一种基于场发射阵列阴极的X射线管结构。制备了金属尖锥阵列场发射阴极,结果表明该阴极具有良好的电子发射能力和稳定性,在阳极电压为3400 V的条件下,发射电流达1.46 mA,电流密度达516.4 mA/cm~2,适合应用于X射线管中。利用CST粒子工作室仿真软件对X射线管的电子光学系统进行计算,得到了可行的结构方案,结构由阵列阴极、聚焦极和阳极组成,阴极与聚焦极等电位,该结构中阴极面积为10 mm×2 mm,总发射电流约为10 mA,满足X射线管的发射要求。阳极电子束斑大小为1 mm×1 mm,可得到有效焦点大小为0.58 mm×1 mm的X射线。研究为进一步制造高分辨率的场发射X射线管打下了基础。     

强流微束斑电子束系统的研究和设计计算

本文研究了强流微束斑电子束的形成问题。提出了一种采用新型磁透镜的电磁复合聚焦系统，这种新型电子束系统的轴上磁场在电子束束腰附近达到极大值，并且轴上磁场分布关于其极大值不对称。利用附加电极在磁场较强的区域构成具有拒斥电场的电透镜，以充分抑制空间电荷推斥力的散焦作用。利用描述电流密度分布演化的变态伏拉索夫方程，研究了强流微束斑电子束系统，数值分析研究了透镜激励和电子束初始条件对于电流密度分布演化的影响。发现侧极靴透镜和相应电极形成的电磁复合聚焦场对于强电流电子束具有优秀的聚焦效果，设计出了利用侧极靴磁透镜的新型电子光学系统，这种系统可以形成电流达到1．96mA、束斑半径仅为4．2μm的强电流微束斑电子束。     

二维混合结构网格电场数值模拟及其在低能电子枪设计中的应用北大核心CSCD

在半导体行业中,低能电子枪是样品二次发射系数测量和样品表面电荷中和的关键部件。为了给低能电子枪提供设计参考,本文采用二维混合结构网格电场数值模拟计算方法构造了不同结构和栅极电位的电子枪模型,研究了不同模型结构对束斑和束流的影响。结果表明,随着栅极和阳极间距的增大,电子束的放大倍率和束流会降低;随着栅极孔径的增加,电子束的放大倍率会降低,束流会逐渐达到饱和点;随着栅极电位增大,栅极对电子束的会聚作用逐渐减弱,电子束的束流呈上升趋势并最终达到饱和点。     

电子致放气测试装置的研究

材料表面吸附的气体分子在电子轰击作用下,会加速释放到真空系统中。为了测试在电子轰击下的材料放气特性,研制了一套电子致放气的测试装置。电子束发生器作为重要的组成部件,具有许多可调参数,这些参数会在一定程度上影响输出的电子束质量,进而影响电子致放气测试结果。文章首先通过实验测量了电子束斑和束流的影响因素,结果表明,聚焦电压和栅极电压对束斑的尺寸有直接的影响,而能量电压对电子束斑直径没有影响。此外,阴极电压、电子能量和栅极电压都可影响到发射电流,从而影响出射的电子束电流。为了验证装置的电子致放气测试能力,采用放气率很低的316 L不锈钢作为测试样品,比较测试其经过三次电子束轰击前后的放气特性。结果表明,经过除气的316 L不锈钢的电子致放气率可较明显地测定,且电子束轰击下放气的主要成分由N₂/CO变为H₂。     

二维混合结构网格电场数值模拟及其在低能电子枪设计中的应用

在半导体行业中,低能电子枪是样品二次发射系数测量和样品表面电荷中和的关键部件。为了给低能电子枪提供设计参考,本文采用二维混合结构网格电场数值模拟计算方法构造了不同结构和栅极电位的电子枪模型,研究了不同模型结构对束斑和束流的影响。结果表明,随着栅极和阳极间距的增大,电子束的放大倍率和束流会降低;随着栅极孔径的增加,电子束的放大倍率会降低,束流会逐渐达到饱和点;随着栅极电位增大,栅极对电子束的会聚作用逐渐减弱,电子束的束流呈上升趋势并最终达到饱和点。     

冷阴极气体放电电子枪的研制

为了促进冷阴极电子束加工技术在国内的发展,在深入研究冷阴极电子发射机理基础之上,设计制造了一种自主知识产权的冷阴极气体放电电子枪,对该电子枪的结构、阴极功能及其参数、阳极功能及其参数、CST仿真软件确定聚焦线圈参数的方法进行了介绍。通过实验发现:每一种放电气体的最小"点火"电压与放电气体种类、气流量大小有关;氦、氩等纯惰性气体作为放电气体,长时间工作后会出现束流减小现象;给定加速电压及铝阴极表面的氧化膜存在条件下,输出束流随着气流量增大而增大;加速电压不变时,氦气中氧含量为1.2%~2.4%调整时,对束流输出影响不大。初步实验结果表明,所研制冷阴极气体放电电子枪采用氧含量2%左右的氦-氧混合气体作为放电气体,能够实现束流长期稳定输出,功率达到30 kW,最大束流达到1500 mA以上。     

大屏幕彩色显像管电子枪电子束形成区及预聚焦透镜特点分析

束形成区及预聚焦透镜是大屏幕彩色显像管电子枪的设计重点之一.本文通过计算机模拟的方法对几种大屏幕彩色显像管用电子枪束形成区及预聚焦透镜的特点进行了系统分析,比较了各电子枪在不同电流下最小交叉截面位置的波动、最大电流密度的变化、主透镜中束截面形貌.分析表明束形成区和预聚焦透镜均采用四极结构的电子枪更容易实现聚焦稳定性和附加理想的像散.     

大屏幕彩色显像管电子枪电子束形成区及预聚焦透镜特点分析

束形成区及预聚焦透镜是大屏幕彩色显像管电子枪的设计重点之一。本通过计算机模拟的方法对几种大屏幕彩色显像管用电子枪束形成区及预聚焦透镜的特点进行了系统分析，比较了各电子枪在不同电流下最小交叉截面位置的波动、最大电流密度的变化、主透镜中束截面形貌。分析表明束形成区和预聚焦透镜均采用四极结构的电子枪更容易实现聚焦稳定性和附加理想的像散。     

电子束改性技术中均匀束斑与路径控制方法研究

针对通用电子束设备在材料改性过程中作用面积小、能量沉积不均匀、特殊位置可达性差等问题,设计了一种能量均匀沉积的大面积束斑波形,研制了专用电子束运动轨迹偏转控制系统。通过平板试件表面和回转体试件内外表面的改性工艺试验,验证了特征波形的能量均匀沉积和运动路径的控制效果。结果表明,采用均匀束斑和运动路径控制方法后,能够成倍提高电子束改性效率,提升束斑可达性,实现改性层厚度的均匀一致性。     

具有七个焦点的碳纳米管阴极分布式X射线源

介绍一种具有七个焦点的碳纳米管阴极分布式X射线源,具有多焦点集成和可编程脉冲发射的特点,基于该X射线源的辐射成像系统能够快速实现7个不同视角的静态层析成像。碳纳米管阴极采用电泳沉积法制备,单个阴极产生的最大电流可达14 mA,具有很好的大电流发射稳定性和一致性。设计的阳极电压为70 kV,通过模拟仿真计算对结构进行优化,实现了电子束的有效聚焦,平均焦点尺寸小至0.60 mm*0.95 mm,且展现出较好的一致性。整个腔体采用精密加工封装工艺和超高真空排气工艺,获得并保持稳定的超高真空状态。     

长漂移管低能衍射电子枪主聚焦区的场分布及聚焦特性的研究

在使用LEED—AUGER系统进行表面分析时,需要长漂移管电子枪产生特定的电子束流。图1为我们设计制造的电子枪结构图。其主聚焦区是由第一阳极A_1、聚焦极A_2及第二阳极A_3组成。电极A_1的长度为54.0±0.1mm,圆管内径为2mm;电极A_2的长     

大功率电子束轰击炉电子枪电源控制策略

在电子束轰击炉中,加速电源采用六相十二脉波全波整流和开环控制,电子束流、聚焦电流和偏扫电流自动伺服加速电压变化的新控制策略.这样在运行过程中,即使加速电压波动较大,电子束功率、聚焦位置和偏扫角的变化被有效地控制在工程允许范围内.这种新的控制策略避免了大功率加速电源采用晶闸管移相交流调压时所带来的电网谐波污染大、功率因数低、主变压器余量大且效率低下等问题.此外,采用该控制策略后,加速电压纹波系数更低,提高了电子枪中电子束的流通率.     

超高真空下测量固体表面功函数连续变化的电子束阻挡势技术

用自制的钨丝直热式阴极电子枪,在全无油金属超高真空系统中实现了用电子束阻挡势技术测量金属和半导体的接触电势差,以及在样品表面吸附气体过程中功函数的连续变化。讨论了实验条件对测量结果可靠性的影响。     

TiN涂层轴承钢电子束辐照过程电子行为及温度特性研究

目的研究辐照过程中电子行为及温度场的分布规律。方法采用束斑直径为60 mm,平均能流密度为12 J/cm~2,脉冲时间为3μs的电子束,对表面有2μm厚TiN涂层的9Cr18轴承钢进行强流脉冲电子束辐照模拟,通过建立Monte-Carlo仿真模型,揭示入射电子的平均分布特性及其辐照过程中不同时刻温度场形态。结果通过仿真电子辐照行为,发现在入射电子能量大于25 ke V时电子能够穿透TiN层,进入轴承钢基体中。由于两层物质密度差异,导致在二者交界处轴承钢一侧存在电子能量沉积曲线尖峰,入射电子能量大于35 ke V时峰值已经超过涂层内部能量沉积系数最大值,形成特殊的能量沉积形式。结合对辐照温度场的模拟仿真,结果显示,由于交界线处钢一侧能量沉积量大,加热效率高。内部加热速度比表面更快,减小了二者间的温度梯度。同时由于两层物质存在熔点差异,在控制能量的情况下,可以达到两层交界处轴承钢发生少量熔化,TiN涂层不发生熔化的现象。结论通过控制电子束能量,控制温度场分布形态,实现基体侧熔化,而涂层不发生熔化的特殊改性现象,这为提高涂层膜基结合力提供了新思路。     

ZL101A/SiCp/20p电子束焊接工艺研究

研究了颗粒增强铝基复合材料ZL101A/SiCp/20p的电子束焊接工艺.研究表明,直接采用电子束焊焊接该类材料,难以获得焊缝成形.采用富Si非增强中间层,通过熔化中间层间接熔化两侧SiCp/Al,得到了较理想的焊缝成形.为获得良好焊缝成形,应合理选取中间层厚度、焊接速度和焊接电流及聚焦方式.采用非增强中间层电子束焊接气孔问题较突出.气孔主要发生于部分熔化的热影响区,快速焊接能使气孔形成受到部分抑制.     

扫描式氩离子枪的电子光学系统研究

扫描式离子枪是样品表面清洁、表面刻蚀和深度分析的常用部件,加速电压在500V到3kV之间可调,具有效率高、性能可靠等优点。电子光学系统是离子枪的重要组成部分,是决定离子束流品质的重要因素。本文利用计算机模拟软件CST对离子枪整体结构进行建模,研究了离子枪聚焦系统不同结构和电压参数对离子束电流密度和束斑尺寸的影响,同时得到了离子枪偏转系统在不同电压分布下的离子分布情况,通过仿真分析确定了电子光学系统的设计方案,并进行了实验验证。结果表明：工作距离为25mm、氩气工作气压为6×10^-3Pa、加速电压为3kV时,氩离子束的束流大小为3μA;束斑大小在7mm到12mm之间可调;当偏转电压为300V时,偏转角度为4.6°。实验与仿真结果基本对应,同时该离子枪的性能指标可获得表面原子精度构造。