本發(fā)明涉及電子束加工設備技術領域，具體涉及一種基于電子束流恒定的電子槍燈絲加熱電流自動整定方法。

背景技術：

采用軸對稱皮爾斯電子槍的電子束加工設備，其陰極發(fā)射電子束流受溫度限制狀態(tài)和空間電荷限制狀態(tài)。為了提高電子束的品質，現(xiàn)有電子束加工設備溫度限制狀態(tài)為飽和發(fā)射，在空間電荷限制狀態(tài)下，加速電壓為恒定值，采用改變柵偏電壓-U_b來改變陰極的有效發(fā)射面積的方法來控制電子束流，其中陰極（燈絲）采用恒流控制方式。

然而，由于不同燈絲間材質及幾何尺寸的差異，將導致燈絲飽和加熱電流不同；即使同一根燈絲隨著工作時間的累積，其所需的飽和加熱電流亦有所變化；另外燈絲的裝配及加熱微變形都會影響其發(fā)射電子能力。這種固定的燈絲電流工作制，燈絲陰極易要么工作于過深飽和狀態(tài)，影響其使用壽命；要么工作于欠飽和狀態(tài)，影響電子束的品質。

為了既充分發(fā)揮三極皮爾斯電子槍電子束品質性能，又能最大限度的延長燈絲陰極壽命，需對燈絲加熱電流飽和程度進行量化的判斷及控制。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是現(xiàn)有電子束加工設備無法兼顧電子束品質和燈絲陰極使用壽命的問題，提供一種基于電子束流恒定的電子槍燈絲加熱電流自動整定方法。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種基于電子束流恒定的電子槍燈絲加熱電流自動整定方法，包括如下步驟：

步驟1、電子束流穩(wěn)定于I_E，逐漸增加燈絲電流使得柵偏電壓達到設定的最小柵偏電壓-U_Gmin并保持穩(wěn)定，記錄此時燈絲穩(wěn)定電流I_Kmin；

步驟2、保持電子束流為I_E，繼續(xù)增加燈絲電流達到設定的燈絲基準電流I_K1，記錄此時基準的穩(wěn)態(tài)柵偏電壓值-U_G1；

步驟3、保持電子束流為I_E，讓燈絲電流增加1個固定微量δ_k，并記錄第一次增量的穩(wěn)態(tài)柵偏電壓相對于基準的穩(wěn)態(tài)柵偏電壓的變化量δ_g1；

步驟4、保持電子束流為I_E，讓燈絲電流再增加1個固定微量δ_k，并記錄第二次增量的穩(wěn)態(tài)柵偏電壓相對于第一次增量的穩(wěn)態(tài)柵偏電壓的變化量δ_g3；

步驟5、保持電子束流為I_E，讓燈絲電流減小3個固定微量δ_k，并記錄第一次減量的穩(wěn)態(tài)柵偏電壓相對于基準的穩(wěn)態(tài)柵偏電壓的變化量δ_g2；

步驟6、保持電子束流為I_E，讓燈絲電流再減小1個固定微量δ_k，并記錄第二次減量的穩(wěn)態(tài)柵偏電壓相對于第一次減量的穩(wěn)態(tài)柵偏電壓的變化量δ_g4；

步驟7、計算相對電子束流與相對燈絲加熱電流關系式的常數(shù)，即指數(shù)系數(shù)β和相對飽和柵偏電壓-U_gmax；其中

步驟8、設定燈絲工作電流飽和度ε，并計算燈絲工作電流I_K2；其中

上述方案中，電子束流I_E的取值范圍為1%～10%額定電子束流值。

上述方案中，電子束流I_E的介于0.5mA～10mA之間。

上述方案中，最小柵偏電壓-U_Gmin的取值范圍為10%～20%柵偏截止電壓值。

上述方案中，設定的燈絲基準電流I_K1比燈絲穩(wěn)定電流I_Kmin大5%～20%。

上述方案中，固定微量δ_k為1個燈絲電流數(shù)字設定的最小分辨率值。

上述方案中，燈絲工作電流飽和度ε的取值范圍為75%～95%。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過對燈絲加熱電流飽和程度進行量化的判斷及控制，從而既充分發(fā)揮三極皮爾斯電子槍電子束品質性能，又能最大限度的延長燈絲陰極壽命。

附圖說明

圖1為電子槍柵偏電壓與燈絲加熱電流關系圖。

圖2為基于電子束流恒定的電子槍燈絲加熱電流自動整定方法的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明基于電子束流恒定的電子槍燈絲加熱電流自動整定方法的原理如下：

三極皮爾斯電子槍加速電壓穩(wěn)定于U_a值，電子束流穩(wěn)定于I_E值，燈絲電流達到一定值后，柵偏電壓-U_G與燈絲電流I_K呈以自然數(shù)e為底的指數(shù)函數(shù)關系，如圖1所示。定義燈絲電流I_K與最小燈絲電流I_Kmin的差值為相對燈絲電流I_k=I_K-I_Kmin，定義柵偏電壓-U_G與最小柵偏電壓-U_Gmin的差值為相對柵偏電壓-U_g=-U_G-(-U_Gmin)=ψ(I_k)，則在燈絲電流超過一定值后，相對柵偏電壓-U_g與相對燈絲加熱電流I_k關系式為

其中，-U_gmax為相對飽和柵偏電壓，對應的柵偏電壓值為飽和柵偏電壓-U_Gmax，β為指數(shù)系數(shù)。最小柵偏電壓-U_Gmin由經(jīng)驗設定，最小柵偏電壓-U_Gmin所對應的燈絲電流值為最小燈絲電流I_Kmin。最小燈絲電流I_Kmin、相對飽和柵偏電壓-U_gmax和指數(shù)常數(shù)β由試驗數(shù)據(jù)獲得。根據(jù)指數(shù)函數(shù)的性質有：

式（1）的一階導數(shù)：

式（1）的二階導數(shù)：

由式（1）、式（2）和式（3）可解出

通過試驗確定某一燈絲電流值I_K1（I_K1>I_Kmin）所對應的柵偏電壓值-U_G1，并確定電子槍在（-U_G1，I_K1）工作點函數(shù)ψ(I_k)的一階導數(shù)ψ′(I_k1)和二階導數(shù)ψ″(I_k1)值，由式（4）和（5）就確定了式（1）的常數(shù)和即相對柵偏電壓-U_g與相對燈絲加熱電流I_k關系式為

定義燈絲電流飽和度由式(6)可計算出燈絲工作電流值I_K2，即

一種基于電子束流恒定的電子槍燈絲加熱電流自動整定方法，如圖2所示，具體包括如下步驟：

第一步：準備工作。

①在真空工作室內放置接收電子束的金屬板，防止試驗過程電子束誤射到工作室內壁或設備的其它部件上。

②關閉工作室門，啟動真空機組對電子槍室及工作室抽氣。

③設定參數(shù)：加速電壓U_a按工作電壓要求設定，一般為額定電壓；試驗電子束流I_E取值范圍為1%～10%額定電子束流值或0.5～10mA；最小柵偏電壓值-U_Gmin取值范圍為10%～20%柵偏截止電壓值；試驗燈絲電流I_K1按其比最小柵偏電壓值-U_Gmin所對應的燈絲電流值I_Kmin大5%～20%設定，即對應的相對燈絲電流值I_k1=(5%～20%)I_Kmin；燈絲電流微變量δ_k設定為1個燈絲電流數(shù)字設定最小分辨率值；燈絲電流飽和度ε取值范圍為75%～95%。

④電子槍室及工作室真空條件滿足后，選擇優(yōu)化燈絲參數(shù)工作狀態(tài)，啟動電子槍各電源，進入第二步。

第二步：試驗確定電子槍某工作點的運行參數(shù)。

加速電壓通過閉環(huán)控制穩(wěn)定于U_a值，電子束流通過閉環(huán)控制穩(wěn)定于I_E值。

①逐漸增加燈絲電流使得電子束流達到I_E值，且柵偏電壓值達到并穩(wěn)定于設定的最小柵偏電壓-U_Gmin值，記錄此時的燈絲電流值I_Kmin，計算確定試驗燈絲電流值I_K1及其相對燈絲電流值I_k1。

②繼續(xù)增加燈絲電流到試驗燈絲電流值I_K1，記錄穩(wěn)態(tài)柵偏電壓值-U_G1。

③燈絲電流增加一個微小量變?yōu)镮_K1+δ_k，記錄穩(wěn)態(tài)柵偏電壓值-U_G1+δ_g1。

④燈絲電流再增加一個微小量變?yōu)镮_K1+2δ_k，記錄穩(wěn)態(tài)偏電壓值-U_G1+δ_g1+δ_g3。

⑤燈絲電流減小3個微小量變?yōu)镮_K1-δ_k，記錄穩(wěn)態(tài)柵偏電壓值-U_G1-δ_g2。

⑥燈絲電流再減小一個微小量變?yōu)镮_K1+δ_k，記錄穩(wěn)態(tài)柵偏電壓值-U_G1-δ_g2-δ_g4，關停電子槍各電源退出試驗。

第三步：計算ψ(I_k)函數(shù)表達式的常數(shù)。

根據(jù)第二步試驗數(shù)據(jù)計算式（1）的常數(shù)β和-U_gmax，

由于則

而則由式（4）和（5）可求出

和

第四步：計算燈絲工作電流值。

根據(jù)式（17）計算燈絲工作電流值I_K2，即

保持此計算值I_K2作為燈絲工作電流設定值，通過燈絲電源調節(jié)系統(tǒng)使得燈絲實際工作電流穩(wěn)定于此值。

本發(fā)明在電子束加工設備上配置數(shù)字控制裝置，數(shù)字控制裝置對電子束加工設備運行參數(shù)具有數(shù)字設定和數(shù)字采樣功能，并實現(xiàn)燈絲加熱電流自動優(yōu)化整定。更換新燈絲后需進行燈絲電流電流自動優(yōu)化整定；燈絲累積工作一段時間后數(shù)字控制裝置將給出提示，需及時進行燈絲電流電流自動優(yōu)化整定。