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EB炉电子束枪的电气控制设备及原理作者：王志中来源：《硅谷》2014年第08期摘要介绍EB炉钛锭生产配套的电子束枪的电气参数、电气控制设备系统和电子束枪的基本控制原理。
关键词电子束熔炼炉；电子束枪；原理中图分类号：TF806 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）08-0056-02自2010年10月武钢集团昆明钢铁总公司在云南省禄丰县土官镇工业园区建成一座年产4410吨/年规模的钛冶炼及钛合金钛锭生产的EB（Electron Beam）熔炼炉，主体工艺设备是引进美国RETECH公司真空冶炼炉。
EB熔炼炉的电子束熔炼过程：EB炉熔炼室端盖上安装的4台电子束枪在高真空的冶炼环境中发的出高速和高频的电子束流在聚焦线圈和偏转线圈的作用下将电子束流准确地轰击到结晶器内的海绵钛原料块及合金物料上，将电子束流的电子动量转化为金属加热的热能。
海绵钛经过高温加热熔化形成钛金属熔液，钛熔液经过坩埚的精炼池进行电子束精炼后流入钛锭结晶器，形成钛锭基座。
钛锭在拉锭杆的牵引作用下形成完整的钛锭，当锭长达到8.1 m的定尺长度时，整个熔炼工序会停止，冶炼工艺控制将进入钛锭冷却和出锭操作。
在熔炼海绵钛及合金原料的工艺过程中，电子束的输出能量控制和角度控制设备是电子束枪电气控制的核心。
1 电子束枪本体的设备组成及功能参数单台电子束枪一般由以下几部分组成。
1）阴极、阳极装置：阴极装置由一个旋转对称的三电极系统组成。
该系统能够发射电子束，并带有一个电子聚集电极。
其设备构成包括：实心阴极（用于间接加热）、聚焦电极和阳极。
图1中钨丝安装在固体阴极后主要用于加热阴极，阴极加热后产生热电子逸出，电子在强电磁场作用下汇聚并加速运动到阳极。
图1 电子束枪工作原理示意图2）透镜和聚焦线圈。
两个透镜装置可将电子束聚焦形成电子束流，阴极腔体和中间腔体（阴极和阳极间）有效隔离真空压力，将电子束聚焦，最大程度降低能量损失。
3）电子束偏转系统。
钨灯丝、冷场、热场扫描电镜的区别扫描式电子显微镜，其系统设计由上而下，由电子枪(Electron Gun) 发射电子束，经过一组磁透镜聚焦(Condenser Lens) 聚焦后，用遮蔽孔径(Condenser Aperture) 选择电子束的尺寸(Beam Size)后，通过一组控制电子束的扫描线圈，再透过物镜(Objective Lens) 聚焦，打在样品上，在样品的上侧装有讯号接收器，用以择取二次电子(Secondary Electron) 或背向散射电子(Backscattered Electron) 成像。
电子枪的必要特性是亮度要高、电子能量散布(Energy Spread) 要小，目前常用的种类计有三种，钨(W)灯丝、六硼化镧(LaB6)灯丝、场发射(Field Emission)，不同的灯丝在电子源大小、电流量、电流稳定度及电子源寿命等均有差异。
热游离方式电子枪有钨(W)灯丝及六硼化镧(LaB6)灯丝两种，它是利用高温使电子具有足够的能量去克服电子枪材料的功函数(work function)能障而逃离。
对发射电流密度有重大影响的变量是温度和功函数，但因操作电子枪时均希望能以最低的温度来操作，以减少材料的挥发，所以在操作温度不提高的状况下，就需采用低功函数的材料来提高发射电流密度。
价钱最便宜使用最普遍的是钨灯丝，以热游离(Thermionization) 式来发射电子，电子能量散布为 2 eV，钨的功函数约为 4.5eV，钨灯丝系一直径约100µm，弯曲成 V 形的细线，操作温度约2700K，电流密度为 1.75A/cm2，在使用中灯丝的直径随着钨丝的蒸发变小，使用寿命约为 40~80 小时。
六硼化镧(LaB6)灯丝的功函数为 2.4eV，较钨丝为低，因此同样的电流密度，使用 LaB6 只要在 1500K 即可达到，而且亮度更高，因此使用寿命便比钨丝高出许多，电子能量散布为 1 eV，比钨丝要好。
扫描电镜的基本结构和工作原理扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）是一种常用的高分辨率显微镜，它通过扫描样品表面并利用电子束与样品相互作用来获取样品的表面形貌和成份信息。
下面将详细介绍扫描电镜的基本结构和工作原理。
一、基本结构1. 电子枪：扫描电镜的电子枪是电子束的发射源，它由热阴极和加速电极组成。
热阴极通过加热发射电子，加速电极则用于控制电子束的能量和聚焦。
2. 准直系统：准直系统包括准直磁铁和透镜，主要用于聚焦电子束并使其垂直于样品表面。
3. 扫描线圈：扫描线圈用于控制电子束在样品表面的扫描范围，通过改变扫描线圈的电流，可以实现对样品不同区域的扫描。
4. 检测系统：检测系统主要包括二次电子检测器和后向散射电子检测器。
二次电子检测器用于检测样品表面的二次电子发射信号，后向散射电子检测器则用于检测样品表面的后向散射电子。
5. 显示和记录系统：显示和记录系统用于将检测到的信号转化为图象，并显示在显示器上或者记录在存储介质上。
二、工作原理扫描电镜的工作原理主要分为以下几个步骤：1. 电子束的发射：扫描电镜中的电子束是通过热阴极发射的。
热阴极受到加热，产生高能电子。
2. 电子束的聚焦：经过准直系统的调节，电子束被聚焦为一个细小的束流，并且垂直于样品表面。
3. 电子束的扫描：扫描线圈控制电子束在样品表面的扫描范围。
电子束按照预设的扫描模式在样品表面扫描，扫描过程中，电子束与样品表面相互作用。
4. 信号的检测：样品表面与电子束相互作用后，会产生一系列的信号，包括二次电子和后向散射电子。
二次电子检测器和后向散射电子检测器将这些信号转化为电信号。
5. 图象的生成：检测到的电信号经过放大和处理后，转化为图象信号。
这些图象信号经过显示和记录系统的处理，最平生成可见的样品表面形貌图象。
扫描电镜的基本结构和工作原理使其能够在高分辨率下观察样品的表面形貌和成份信息。
相比传统的光学显微镜，扫描电镜具有更高的放大倍数和更高的分辨率，可以观察到更细微的细节。
电子枪的工作原理
电子枪是一种利用电子束进行加热、熔化或蒸发材料的设备。
它主要由电子源、聚焦系统和材料加工件组成。
首先，电子源会产生高速电子流。
这些电子流通常是通过热阴极释放的自由电子，在高压下加速形成的。
接下来，电子流通过聚焦系统进行聚束。
聚焦系统通常由电磁或电静场组成，它们可以将电子束聚焦到非常小的区域，以达到更高的能量密度。
当电子束到达加工区域时，它会和材料发生相互作用。
这种相互作用可以将电子的动能转化为材料的热能，从而使材料达到熔化或蒸发的温度。
最后，通过控制电子束的功率、聚焦和扫描方式，可以对材料进行精确的加工和形状控制。
这种加工方式可以应用于各种领域，如电子器件制造、材料表面改性和医疗设备制造等。
总的来说，电子枪的工作原理是利用高速电子束与材料相互作用，将电子的能量转化为材料的热能，从而实现对材料的加热、熔化或蒸发。
直式与e形电子枪系统结构及原理
Pierce式电子枪是采用直接轰击材料加热蒸发方法，枪体由阴极灯丝，栅极，阳极，聚焦线圈，X Y偏转线圈与坩埚六大部分组成。
阳极灯丝用钨和钽等高温金属制成，当其接上电源加热至白热化时即从灯丝金属表面发射热电子，这些电子先经一与阴极相同电位之栅级而聚集成电子束，同时再受接地电位的阳极作用而向之作加速运动，当穿过阳极中心孔洞后，被充分加速且逐渐发散的电子束再经由聚焦线圈的磁场作用而聚集并引出电子枪体，最后则直接轰击于承装在坩埚内待镀材料表面。
至于XY偏转线圈则是利用其所形成之XY方向磁场的作用，使电子束在XY方向作小幅度位移，达到聚焦点在待镀材料表面扫描目的。
Pierce直式电子枪具有高能量密度，操作控制容易的优点，不过它的体积庞大，结构复杂精密，维修保养困难，易受污染；相反电磁偏转式则有结构简单，成本低，容易维修的优点，但是操控电子束聚焦变数多及阴阳极间放电现象是它的缺点。
电磁偏转式电子枪分为电偏转与磁偏转两类,电偏转试结构甚为简单，主要有灯丝，阳极（坩埚），阴极圈及屏蔽圈等四部分，灯丝部分仅作为电子束的提供者，外围圈以阴极圈接负电位，将电子束排向坩埚，而坩埚座则以接地电位作为阳极，导引电子束射向坩埚内待镀材料，坩埚座外围再围上一负电位屏蔽圈，屏蔽与调整电子束曲率，这种结构的电子束是呈环状由外围射向中心位臵的坩埚，故称环形
枪。
环形枪与pierce式枪都是以高能量电子束轰击材料，在过程中会产生大量二次电子发射（secondary electron emission)现象，而且随着待镀材料原子序的增加，放射电子数目也会增加。
这种情况对导电性能差的介质材料特别有影响，因为电子束轰击于介质材料表面，有一部分电子会聚集在材料表面形成负电位电子层，而排斥后续射至之电子束，形成电子反射现象，若加上二次电子则反射更严重，这是反射电子部分会被接地电位的腔体吸引撞击在基板上，使膜质结构粗糙，也会改变薄膜的电导性。
现今电子枪多采用的磁偏转式（e形枪），由于电子束绕曲路径近似e字形，可分为1800和2700两种，它的基本结构分为灯丝阴极，阳极，聚焦极，永久磁铁，磁场线圈及坩埚等六部分，热电子由高热之阴极钨丝表面释出，利用阴极与前方阳极之高压电场加速，经聚焦极聚成束穿过中心孔，磁场线圈所形成之磁场则会绕曲电子束的运动方向，使之弯曲到待镀材料表面。
此结构由于有一个外加磁场，坩埚与蒸发源材料所产生之二次电子受此磁场作用，会发生偏转而被导离吸收，如此可以减少二次电子所造成的影响，电子束的偏转主要由磁场线圈的电流来操控，改变磁场的大小即可移动电子束轰击材料表面X方向的位臵，若加上Y方向磁场则可以同时作XY两方向之平面图形扫描，避免材料挖孔现象，而能均匀消耗材料。
此种结构的电子枪，阴极灯丝设于结构体内，受到良好的屏蔽不易被污染，使其工作寿命较长，遂逐渐取代了直式与环形电子枪。
现今最被广泛使用的商用e形电子枪，为了使电子束在磁场作用下能稳定投射在材料位臵，也能精密控制电子束的功率，特别是在发生电弧放电时能够保护电子枪，因此电源供应的设计便十分重要。
电子枪系统运作时虽处于真空状态，但仍有残余气体存在，这些气体分子在电子枪的电场中将被游离，因此在此局部区域将形成由电子组成之负电载子流与离子组成之正电载子流，由于不断有气体分子进入，使得载子电流大增而电极间电阻大幅度降低，形成所谓雪崩效应（avalanch effect),导致电弧短路（arc-down)而烧毁电子枪系统。
事实上这种现象是无法避免的，只能降低电源电压，使电子动能降低，减少离子产生比率，让正负载子能够互相中和，将电弧短路现象排除，早期是以电阻或电感方法降低电压值，不过效率并不高，且电压无法维持定值。
而现在用的过压与过载保护已经作的很成熟。
摘于《真空技术与应用》 2013-2-21。
