Источники питания магнитной линзы и отклоняющих систем

Источники питания магнитных фокусирующих линз и отклоняющих систем представляют собой управляемые стабилизированные источники постоянного тока, работающие на активно-индуктивную нагрузку.

Обмотки магнитных линз технологических установок обычно имеют несколько сотен, или даже более тысячи витков. В зависимости от внутреннего диаметра полюсных наконечников и количества витков обмотки, для достижения требуемых значений индукции на оси линзы типичные значения токов фокусировки могут варьироваться в диапазоне от десятых долей до единиц ампер.

На рисунке 4.7 приведена зависимость фокусного расстояния/магнитной линзы прототипа сварочной ЭЛУ от тока фокусировки /_ф при ускоряющем напряжении 50 кВ, рассчитанная в приближении параксиальной оптики с помощью математической модели.

Рис. 4.7. Зависимость фокусного расстояния прототипа магнитной линзы от тока фокусировки при ускоряющем напряжении 50 кВ, полученная с помощью математической модели

Формула (3.22) и зависимость, приведенная на рисунке 4.7, показывают влияние тока линзы на фокусное расстояние и позволяют оценить требования к диапазону регулирования и стабильности тока. Как правило, рабочий отрезок технологических электронных пушек варьируется в диапазоне от 100 до 500 мм (в отдельных образцах до 1000 мм). Связь рабочего отрезка пушки (Ь расстояния «кроссовер—линза» (а) и требуемого фокусного расстояния линзы/показана в выражении (2.37). Исходя из приведенных соображений, по оценкам специалистов, стабильность тока магнитной линзы должна быть на уровне сотых долей процента от максимального значения. Это необходимо для того, чтобы положение плоскости фокусировки, и соответственно, диаметр пятна нагрева на изделии поддерживались с требуемой точностью, обеспечивая удовлетворительное качество в течение всего процесса электронно-лучевой обработки.

Для достижения столь высоких показателей качества регулирования тока фокусировки и его стабильности во времени чаще всего используют стабилизаторы компенсационного типа, построенные на транзисторах, работающих в активном режиме (см. рис. 4.8).

Сетевое напряжение понижается трансформатором Т до уровня нескольких десятков вольт и поступает на выпрямитель В. Выпрямленное напряжение сглаживается фильтром Ф. Обычно из-за высокой электрической емкости фильтра вводится отдельная цепь зарядки конденсаторов через сопротивление для 01раничения тока зарядки (на рисунке 4.8 эта цепь не показана). Последовательно с обмоткой магнитной линзы ОМЛ (имеет активное и реактивное сопротивление) в цепь нагрузки выпрямителя включены регулятор тока на параллельно включенных мощных транзисторах VT1… VTn с резисторами Rl…Rn для выравнивания токов транзисторов, и измерительный шунт Ш. Современная элементная база позволяет строить такие регуляторы и на одном мощном биполярном или полевом транзисторе. В приведенной схеме транзисторный регулятор тока работает в непрерывном режиме как переменное добавочное сопротивление, позволяющее компенсировать изменение тока линзы. Для управления к базе (затвору) транзисторов подключена схема управления СУ, включающая в себя схему сравнения уставки тока У с сигналом обратной связи ОС и управляющий элемент на базе операционных усилителей или транзисторов. Схема, представленная на рисунке 4.8, позволяет стабилизировать ток линзы на заданном значении с точностью на уровне сотых долей процента от максимального значения, а также компенсировать изменение тока из-за влияния различных факторов, например, изменения температуры электронных компонентов, условий охлаждения и т. д.

Компенсационные регуляторы чаще всего применяют и для питания отклоняющих катушек, однако в этом случае требуются стабилизаторы тока, который может изменять свое направление, или реверсивные усилители. Кроме того, канал отклонения луча должен быть более быстродействующим, чем канал фокусировки, что необходимо для реализации современных технологических процессов (см. далее в разделе 4.3).

Как показывают выражения (2.60) и (2.61), связь между индукцией магнитного поля отклоняющей катушки и линейным перемещением пучка близка к линейной и характеризуется отсутствием инерционности. Это обстоятельство может вводить в заблуждение при оценке динамических свойств канала отклонения пучка, который часто принимаю! безынерционным. В действительности инерционные свойства данного канала будут определяться индуктивностью отклоняющих катушек и характеристиками регуляторов.

Рис. 4.9. Схема регулятора тока отклоняющей катушки.

Типовая схема pei-улятора отклонения луча для одной координаты приведена на рисунке 4.9. Регулятор представляет собой реверсивный усилитель, выполненный по нулевой схеме на силовых транзисторах VT и VT2, работающих в активном режиме. В качестве источников питания U_a регулятора используются два стабилизатора напряжения СЯ, подключенных к источнику питания переменного тока через выпрямители В. Нагрузка усилителя, состоящая из резистора обратной связи по току R и отклоняющей катушки ОК, характеризующейся индуктивностью и активным сопротивлением /?_к, включена между общими точками стабилизаторов напряжения и транзисторов. По принципу функционирования такой регулятор в целом аналогичен регулятору тока магнитной линзы, показанному на рисунке 4.8, но позволяет также изменять направление тока, протекающего через нагрузку. Усилитель обратной связи УОС обеспечивает управление транзисторами VTX и VT2 по разности А/ = / - /_ос сигнала задания тока / и сигнала обратной связи по току / _с, снимаемого с резистора R_oc.

Катушка отклоняющей системы представляет собой последовательную активно-индуктивную цепь. Такие цепи называют дифференцирующими, а переходные процессы в них описываются уравнением.

где Ь_к — индуктивность катушки, R_k — активное сопротивление катушки, / — ток, протекающий через катушку, U — напряжение источника питания. При скачкообразном, или ступенчатом изменении питающего напряжения U ток цепи i не может измениться скачком. Это вызвано действием эдс самоиндукции, возникающей при изменении магнитного поля катушки и противодействующей изменению тока. Аналитическое решение уравнения (4.2) при ступенчатом изменении напряжения от О до U выглядит следующим образом:

где т = L_k/ R_k — постоянная времени катушки. Анализ зависимости (4.3), графически представленной на рисунке 4.10, показывает, что ток катушки достигает значения, равного 99,9% от U/R_K тогда, когда безразмерное соотношение t /т приближается к 7.

Рис. 4.10. Нарастание тока отклоняющей катушки при ступенчатом (мгновенном) увеличении напряжения источника питания от 0 до U.

Приведенные соотношения показывают, что скорость изменения тока в катушке связана с отношением индуктивности катушки к се активному сопротивлению, что должно быть учтено при проектировании технологической установки. Как правило, индуктивность отклоняющих катушек составляет единицы миллигенри, а активное сопротивление — единицы Ом, поэтому постоянные времени катушек т обычно лежат в диапазоне 0,005—0,0005 с. При выборе предельной частоты импульсной модуляции напряжениям^, подаваемого на катушку от регулятора тока, во избежание искажения формы импульсов тока под действием индуктивного сопротивления, необходимо руководствоваться соотношением:

По этой причине предельные частоты периодического отклонения луча в существующих технологических ЭЛУ не превышают 100 Гц, однако такие показатели вполне удовлетворяют требованиям разработчиков систем управления электронно-лучевыми технологическими установками.