實驗名稱：高壓放大器在電子束增材制造聚焦消像散控制技術研究的應用

研究方向：增材制造

實驗目的：

電子束選區熔化技術，即電子束3D打印技術，屬于金屬增材制造的分支。該技術以電子束為熱源，在計算機控制下以預設軌跡掃描融化粉末，逐層堆疊，形成致密的三維零件。該技術可以制造醫用金屬多孔結構，如人造關節，并可根據計算機模型方便地調節孔形貌、孔結構等參數，與人骨力學性能匹配。為保證多孔結構制作的高精度要求，電子束需要在整個加工范圍內保持足夠的熱功率密度，即在固定加速電壓的情況下，保持小束徑。但由于電子光學像差的影響，束斑直徑通常隨著偏轉角度的增大而增大，同時形狀逐漸改變，這可能導致大尺寸工件加工精度下降問題，同時產生夾渣和氣孔現象，因此需要調節束斑質量。

測試設備：上位機、A/D、D/A轉換器，ATA-4315高壓放大器、燈絲、對中線圈、消像散線圈、主聚焦線圈、輔助聚焦線圈、偏轉線圈、板材箱、基板、升降臺、二次電子探測板等。

圖：電子束增材制造設備控制系統

實驗過程：

電子束3D打印設備光柱體及控制系統結構如上圖所示。所使用的線圈均為磁線圈。電子束由燈絲引出，在各線圈的磁場作用下，聚焦、偏轉，最終會聚于工件表面。其中，主聚焦線圈電感較大，采用恒流源進行控制。動態調節部分由電感小得多的空心輔助聚焦線圈完成，控制器接受上位機的指令，控制電子束按預設軌跡掃描，在改變電子束位置的同時，查詢聚焦消像散校正表，動態調節通入輔助聚焦線圈、消像散線圈的電流，達到動態聚焦、消像散的目的。二次電子探測板收集反射電子，用以成像，其圖像清晰度可以反映束板的質量。

在電子光學領域，像差理論常用于分析電子在電場和磁場中的運動軌跡，實際運動軌跡和高斯軌跡的偏差，即為像差，按照類別可分為球差、慧差、場曲（散焦）、像散、畸變、色差。實際上，3D打印設備的電子束都在百微米量級，應考慮散焦和像散等對束徑影響較大的低階像差。散焦和像散的表達式如下：

圖：散焦和像散的表達式

由此式可知，散焦和像散受到偏轉距離和方向的影響，無偏轉時，沒有散焦和像散，此時束斑質量最佳，當電子束偏轉時，散焦和像散大小隨偏轉位置而改變。因此需要對不同位置的電子束進行校正。

實驗結果：

圖：實驗對比圖像

（1）采用動態聚焦、消像散控制技術能夠有效地提高束斑質量，校準后，電子束增材制造設備可以實現12°以內清晰成像，成功將圖像EOG值由0.81提高至1。大偏轉角下，電子束受到像散像差的影響，形狀發生畸變，因此電子圖像會在某一方向獲得很高的分辨率，但在其他方向上較為模糊。消像散之后，電子圖像各方向清晰度一致，束斑形狀得到改善。

（2）動態聚焦無法有效改善束斑形狀，但可以減小束斑直徑，增強電子圖像某一方向的清晰度。

安泰ATA-4315高壓放大器：

圖：ATA-4315高壓放大器指標參數

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