高压放大器在电子束增材制造聚焦消像散控制技术研究的应用

实验名称：高压放大器在电子束增材制造聚焦消像散控制技术研究的应用

研究方向：增材制造

实验目的：

电子束选区熔化技术，即电子束3D打印技术，属于金属增材制造的分支。该技术以电子束为热源，在计算机控制下以预设轨迹扫描融化粉末，逐层堆叠，形成致密的三维零件。该技术可以制造医用金属多孔结构，如人造关节，并可根据计算机模型方便地调节孔形貌、孔结构等参数，与人骨力学性能匹配。为保证多孔结构制作的高精度要求，电子束需要在整个加工范围内保持足够的热功率密度，即在固定加速电压的情况下，保持小束径。但由于电子光学像差的影响，束斑直径通常随着偏转角度的增大而增大，同时形状逐渐改变，这可能导致大尺寸工件加工精度下降问题，同时产生夹渣和气孔现象，因此需要调节束斑质量。

测试设备：上位机、A/D、D/A转换器，ATA-4315高压放大器、灯丝、对中线圈、消像散线圈、主聚焦线圈、辅助聚焦线圈、偏转线圈、板材箱、基板、升降台、二次电子探测板等。

图：电子束增材制造设备控制系统

实验过程：

电子束3D打印设备光柱体及控制系统结构如上图所示。所使用的线圈均为磁线圈。电子束由灯丝引出，在各线圈的磁场作用下，聚焦、偏转，最终会聚于工件表面。其中，主聚焦线圈电感较大，采用恒流源进行控制。动态调节部分由电感小得多的空心辅助聚焦线圈完成，控制器接受上位机的指令，控制电子束按预设轨迹扫描，在改变电子束位置的同时，查询聚焦消像散校正表，动态调节通入辅助聚焦线圈、消像散线圈的电流，达到动态聚焦、消像散的目的。二次电子探测板收集反射电子，用以成像，其图像清晰度可以反映束板的质量。

在电子光学领域，像差理论常用于分析电子在电场和磁场中的运动轨迹，实际运动轨迹和高斯轨迹的偏差，即为像差，按照类别可分为球差、慧差、场曲（散焦）、像散、畸变、色差。实际上，3D打印设备的电子束都在百微米量级，应考虑散焦和像散等对束径影响较大的低阶像差。散焦和像散的表达式如下：

图：散焦和像散的表达式

由此式可知，散焦和像散受到偏转距离和方向的影响，无偏转时，没有散焦和像散，此时束斑质量最佳，当电子束偏转时，散焦和像散大小随偏转位置而改变。因此需要对不同位置的电子束进行校正。

实验结果：

图：实验对比图像

（1）采用动态聚焦、消像散控制技术能够有效地提高束斑质量，校准后，电子束增材制造设备可以实现12°以内清晰成像，成功将图像EOG值由0.81提高至1。大偏转角下，电子束受到像散像差的影响，形状发生畸变，因此电子图像会在某一方向获得很高的分辨率，但在其他方向上较为模糊。消像散之后，电子图像各方向清晰度一致，束斑形状得到改善。

（2）动态聚焦无法有效改善束斑形状，但可以减小束斑直径，增强电子图像某一方向的清晰度。

安泰ATA-4315高压放大器：

图：ATA-4315高压放大器指标参数

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