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  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(dian)(dian)子(zi)束選區熔化技(ji)術(shu)，即(ji)電(dian)(dian)子(zi)束3D打印(yin)技(ji)術(shu)，屬于金(jin)屬增(zeng)材制(zhi)造(zao)的(de)(de)(de)分支。該技(ji)術(shu)以(yi)電(dian)(dian)子(zi)束為(wei)熱(re)源，在(zai)計算(suan)機(ji)控(kong)制(zhi)下(xia)以(yi)預(yu)設(she)軌跡掃描融化粉末，逐層(ceng)堆疊，形成致密的(de)(de)(de)三維零件。該技(ji)術(shu)可(ke)(ke)(ke)以(yi)制(zhi)造(zao)醫用(yong)金(jin)屬多(duo)孔(kong)(kong)(kong)結構，如人(ren)造(zao)關節，并可(ke)(ke)(ke)根據計算(suan)機(ji)模型方便(bian)地調節孔(kong)(kong)(kong)形貌、孔(kong)(kong)(kong)結構等參數，與人(ren)骨力學性能匹(pi)配。為(wei)保證多(duo)孔(kong)(kong)(kong)結構制(zhi)作(zuo)的(de)(de)(de)高精(jing)度(du)要求(qiu)，電(dian)(dian)子(zi)束需要在(zai)整個加(jia)(jia)工范(fan)圍內保持足夠的(de)(de)(de)熱(re)功(gong)率(lv)密度(du)，即(ji)在(zai)固(gu)定加(jia)(jia)速電(dian)(dian)壓的(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)，保持小束徑。但(dan)由于電(dian)(dian)子(zi)光學像差的(de)(de)(de)影響，束斑直徑通常隨(sui)著偏轉角度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)大而(er)增(zeng)大，同時形狀逐漸改變，這(zhe)可(ke)(ke)(ke)能導致大尺寸工件加(jia)(jia)工精(jing)度(du)下(xia)降(jiang)問題，同時產生夾(jia)渣和氣孔(kong)(kong)(kong)現象，因此(ci)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(zhi)造設備(bei)控制(zhi)系統

  實驗過程：

  電(dian)子束3D打印設備光(guang)柱體及控(kong)制系統(tong)結構如上圖所示。所使用(yong)(yong)的(de)線(xian)圈(quan)(quan)均(jun)為磁(ci)線(xian)圈(quan)(quan)。電(dian)子束由(you)燈絲引(yin)出(chu)，在各(ge)線(xian)圈(quan)(quan)的(de)磁(ci)場作用(yong)(yong)下，聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)、偏轉，最終會聚(ju)(ju)(ju)于工件表面(mian)。其中(zhong)，主聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)線(xian)圈(quan)(quan)電(dian)感較大，采用(yong)(yong)恒流源進行控(kong)制。動態(tai)調(diao)節(jie)部(bu)分由(you)電(dian)感小(xiao)得多的(de)空(kong)心輔助(zhu)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)線(xian)圈(quan)(quan)完成(cheng)，控(kong)制器接受上位(wei)機(ji)的(de)指令，控(kong)制電(dian)子束按預(yu)設軌跡掃描(miao)，在改變電(dian)子束位(wei)置的(de)同(tong)時，查詢聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)消像(xiang)(xiang)散校(xiao)正表，動態(tai)調(diao)節(jie)通(tong)入(ru)輔助(zhu)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)線(xian)圈(quan)(quan)、消像(xiang)(xiang)散線(xian)圈(quan)(quan)的(de)電(dian)流，達到動態(tai)聚(ju)(ju)(ju)焦(jiao)(jiao)、消像(xiang)(xiang)散的(de)目的(de)。二次電(dian)子探測(ce)板收集(ji)反射電(dian)子，用(yong)(yong)以(yi)成(cheng)像(xiang)(xiang)，其圖像(xiang)(xiang)清晰度(du)可以(yi)反映束板的(de)質量。

  在(zai)電(dian)子(zi)光(guang)學領域，像(xiang)(xiang)(xiang)差(cha)理論常用于分析電(dian)子(zi)在(zai)電(dian)場(chang)和磁場(chang)中的(de)(de)運動軌跡，實(shi)際運動軌跡和高斯軌跡的(de)(de)偏差(cha)，即為(wei)像(xiang)(xiang)(xiang)差(cha)，按(an)照類別可分為(wei)球差(cha)、慧差(cha)、場(chang)曲（散(san)(san)焦(jiao)(jiao)）、像(xiang)(xiang)(xiang)散(san)(san)、畸變、色差(cha)。實(shi)際上，3D打印設備的(de)(de)電(dian)子(zi)束都(dou)在(zai)百微米量級，應考慮(lv)散(san)(san)焦(jiao)(jiao)和像(xiang)(xiang)(xiang)散(san)(san)等對束徑影響較大的(de)(de)低階像(xiang)(xiang)(xiang)差(cha)。散(san)(san)焦(jiao)(jiao)和像(xiang)(xiang)(xiang)散(san)(san)的(de)(de)表(biao)達式如下(xia)：

  圖：散焦和像散的表達(da)式

  由(you)此式可知，散(san)焦和像(xiang)散(san)受到偏轉(zhuan)(zhuan)距離和方(fang)向的影響，無(wu)偏轉(zhuan)(zhuan)時(shi)，沒有散(san)焦和像(xiang)散(san)，此時(shi)束斑(ban)質量(liang)最佳，當電子束偏轉(zhuan)(zhuan)時(shi)，散(san)焦和像(xiang)散(san)大小(xiao)隨偏轉(zhuan)(zhuan)位置而(er)改變。因此需要對(dui)不同(tong)位置的電子束進行校正。

  實驗結果(guo)：

  圖：實驗(yan)對(dui)比(bi)圖像

  （1）采(cai)用動態聚焦、消像(xiang)(xiang)(xiang)散控制技術能夠有效(xiao)地提(ti)高(gao)(gao)束斑質量，校準后，電(dian)子束增材制造設備可以實現(xian)12°以內清晰(xi)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)，成(cheng)功將圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)EOG值由0.81提(ti)高(gao)(gao)至1。大偏轉角下，電(dian)子束受到像(xiang)(xiang)(xiang)散像(xiang)(xiang)(xiang)差的影響，形狀發生畸變，因此電(dian)子圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)會在某一方(fang)向(xiang)獲得(de)很(hen)高(gao)(gao)的分辨率，但在其他方(fang)向(xiang)上較為模糊。消像(xiang)(xiang)(xiang)散之后，電(dian)子圖(tu)像(xiang)(xiang)(xiang)各方(fang)向(xiang)清晰(xi)度一致，束斑形狀得(de)到改善。

  （2）動態聚焦無(wu)法有效改善束(shu)斑(ban)形狀，但可以減小束(shu)斑(ban)直徑，增強(qiang)電子圖(tu)像(xiang)某(mou)一方向的清晰度(du)。

  安(an)泰ATA-4315高壓(ya)放大器：

  圖：ATA-4315高壓(ya)放(fang)大器指標參(can)數

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