（物理电子学专业论文）51fsnn充磁系统的优化改进.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 显示器是信息系统的重要组成部分。随着信息技术的高速发展，显示技术和市 场也获得了迅速的发展，同时对人们的日常生活有着广泛影响。传统的阴极射线管 ( c r t ) 仍是目前使用最广泛，占有市场份额最大的显示器件。它具有好的清晰 度、大视角、低成本等方面的优点。 由于各种平板显示器发展快速，通过大幅提高c r t 产品性能，开发新品。同时 提高产品制造质量，进一步降低成本。有利于增强c r t 的竞争能力。 本文对华飞公司生产的5 1 f s n n 彩色显象管的会聚误差和着屏误差的成因及调 整，从电子枪系统、偏转系统、曝光系统及自动充磁系统( a m h ) 等工序进行分 析。并着重对自动充磁系统( a 姗) 调整系数矩阵的模拟计算进行研究，应用计算 机辅助设计( c a d ) ，采用表面磁荷法计算a m h 系统中空间磁场分布，用龙格一库塔 法模拟计算电子轨迹，对安装在电子枪内用于会聚和着屏误差调整的飞利浦磁环的 场分布、位分布以及屏上着屏和会聚情况进行模拟计算。 根据5 1 f s n n 管型尺寸设计会聚和着屏误差计算模型求出不同充磁状态下飞 利浦环产生的空间磁场，进而求出在这种空间磁场下三色电子在屏上的落点。通过 绿束在屏上的落点评价其着屏误差，通过红、蓝两束相对于绿束在屏上的落点评价 会聚误差，进行优化设计的计算，求出a m h 系统八极场的调整系数矩阵，得到对飞 利浦环准确充磁时的各极线圈的安匝数。 该法简化了a 唧系统调整系数矩阵的求证过程。应用该计算模型模拟生产实际 状况，进行实例调整模拟计算，取得满意的结果。 关键词：彩色显像管、会聚、着屏、表面磁荷法、a 姗系统 东南大学硕士学位论文 a b st r a c t d i s p l a y i st h em o s t i m p o r t a n tp a r t o fi n f o r m a t i o n s y s t e m w i t h t h e h i g hs p e e d d e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ed i s p l a y t e c h n o l o g ya n di t sc o r r e l a t i v em a r k e t h a v ea l s o g o tp r o m p td e v e l o p m e n t i tw i d e l yi n f l u e n c e s o n p e o p l e sd a i l y l i f e c o n v e n t i o n a lc r t ，w h i c hh a sal o to f a d v a n t a g e s ，s u c ha sn i c ed e f i n i t i o n ，g r e a tv i s u a l a n g l e ，l o wc o s ta n ds oo n ，i ss t i l lu s e da st h ew i d e s t o n ea n dw i n st h eb i g g e s tm a r k e t d u et oh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fa l lk i n d so ff l a td i s p l a y ，i ti si m p o r t a n t t oi n c r e a s et h e c r t p e r f o r m a n c e ，d e v e l o pm o r en e wt y p e s ，i m p r o v et h ep r o d u c tq u a l i t ya n dr e d u c et h e c o s t ，w h i c hc a ni n c r e a s ec r t c o m p e t i t i o nh i g l l l y ， i nt h i st h e s i s ，t h ec a u s ea n dt h ea d j u s t m e n to f c o n v e r g e n c ea n dl a n d i n g e l l o ro fh u a f e i 5 1 f s n nc o l o rp i c t u r et u b ew e r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e df r o mg u ns y s t e m ，d e f l e c t i o n s y s t e m ，e x p o s u r es y s t e ma n da u t o m a t i cm a g n e t i z i n gh a r b o r ( a m h ) s y s t e m t h er e s e a r c h o ft h ea m h s y s t e mw a se m p h a s i z e do na sf o l l o w i n g w i t ht h eh e l po ft h ec o m p u t e r a i d e dd e s i g n ( c a d ) ，t h em a g n e t i cf i e l da n de l e c t r o nt r a j e c t o r yw e r ec a l c u l a t e db yt h e s u r f a c em a g n e t i cc h a r g em e t h o da n dt h er u n g e - k u t t a m e t h o d ，r e s p e c t i v e l y t h r o u g ht h e s i m u l a t i o no f t h el a n d i n ga n d c o n v e r g e n c e , t h em a g n e t i cf i e l do f t h ep h i l i p s o r i n gw a s c a l c u l a t e d a c c o r d i n g t ot h e5 1 f s n nt u b e s i z e ，w ed e s i g n e dt h e c o n v e r g e n c e a n d l a n d i n g c a l c u l a t i o nm o d e l ，c a l c u l a t e do u tv a r i o u sm a g n e t i cf i e l d so f p h i l i p s 0 r i n gi nd i f f e r e n t m a g n e t i z i n gs i t u a t i o n ，a n d t h e nc a l c u l a t e dt h ee l e c t r o n t r a j e c t o r y w ee v a l u a t e dt h e l a n d i n ge r r o rt h r o u g hg r e e ns p o tl a n d i n g ，a n de s t i m a t e dt h ec o n v e r g e n c ee r r o rt h r o u g h r e da n db l u e s p o tl a n d i n g t h ea d j u s t m e n tm a t r i xo fa m hs y s t e mw a sc a l c u l a t e d o p t i m a l l y c o n s e q u e n t l y ，t h e8 - p o l e sa m p e r e - t u r no f t h ep h i l i p so - r i n gw a so b t a i n e d 东南大学硕士学位论文 t h i sm e t h o ds i m p l i f i e st h ec a l c u l a t i o np r o c e s so ft h ea d j u s t m e n tm a t r i xo fa m h s y s t e m w eu s e di tt oc a l c u l a t ep r a c t i c a ls a m p l e si np r o d u c t i o na n dg o tg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：c o l o rp i c t u r et u b e ，c o n v e r g e n c e ，l a n d i n g , s u r f a c em a g n e t i cc h a r g em e t h o d ， a m h s y s t e m 1 1 1 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 烨丝忆彳 f 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名： 导师签名：翌蛙 日 期：丝盈。生绌 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 i 引言 显示器是信息系统的重要组成部分。随着信息技术的高速发展，显示技术和市 场也获得了迅速的发展。传统的阴极射线管( c r t ) 仍在广泛使用，其它各种平板 显示器，如液晶显示器( l c d ) 、等离子体显示器( p d p ) 、场致发光显示器 ( e l d p ) 和发光二极管显示器( l e d ) 快速发展，近年来出现的场致发射显示器件 ( f e d ) 和数字化微镜显示器件( d 肋) 也是值得注意的技术发展动向。但c r t 还占 有最大的市场份额，高清晰度电视( h d t v ) 的发展将进一步刺激c r t 和其他显示器 技术的发展“】。 1 2 彩色显象管( c r t ) 技术发展 阴极射线管( c r t ) 技术已有1 0 0 多年的发展历史，彩色显象管也已有4 0 多年 历史了。彩色显象管发展至今大体上经历了以下四个阶段：1 9 5 0 年到1 9 5 5 年的试 制研究阶段，1 9 5 5 年到1 9 6 5 年的大规模生产工艺准备阶段，1 9 6 5 年到1 9 7 2 年的 大规模生产提高产品质量阶段，1 9 7 2 年至今是自会聚彩管作为商品定型、成熟、 发展的阶段。1 。近年来尽管各种平面显示器件技术日新月异，对c r t 在显示器件中 的霸主地位提出了强烈的挑战，但c r t 自身的优点及其技术上改进，使其在显示器 件中仍然占据重要的地位。 c r t 技术改进主要集中在提高分辨率、屏幕清晰度和改善人体工学设计三个方 面。荫罩板在彩色c r t 中用作彩色选择器，电子束直径愈小、荫罩孔的间距就可以 愈小，屏幕上光点愈细、点间距便愈密，分辨率便愈高。新一代彩色c r t 的荫罩孔 间距大致为o 2 1 至0 3 9 毫米，而光点间距分为0 2 6 、0 2 8 、0 3 1 、0 3 9 毫米四 东南大学颈士学位论文 种，分别用于x g a 、s v g a 、v g a 和e g a 中。h d t v 属于0 2 8 毫米这一级。由于彩色 c r t 的荫罩必须处理红、绿、蓝三条电子束，其间距己接近极限，荫罩式彩色c r t 分辨率极限大约是1 6 0 0 x 1 2 0 0 。 电子束的质量，包括电流的大小和电子束在荧光屏上的会聚情况，对c r t 的分 辨率有重要影响。要获得荧光屏上会聚良好且均匀的电子束，需要从电子枪和偏转 线圈设计上进行改进。八十年代初期，索尼( s o n y ) 成功地开发出一顶全新概念的 彩色射线管技术，称为索尼单枪三束彩色显象技术( s o n yt r i n i t r o n ) ，为c r t 的 发展开户新的一页。与传统荫罩式c r t 比较，索尼单枪c r t 主要有如下优点“1 ： ( 1 ) 由于红、绿、蓝三束电子出自同一电子枪。可同时受同一透镜系统 所会聚，电子束质量可以和单枪电子束相比； ( 2 ) 利用格栅代替穿孔式荫覃，可增强透亮度和连续的垂直光条，改善 了电子束电流和光点大小的比例，还可避免产生“穹形效应”： ( 3 ) 单枪c r t 的屏幕表面较平坦，使图像从任何角度看都不会失真。 s o n y 产品d d m 2 8 0 i c 监视器，其分辨率突破了荫罩式c r t 的极限达到2 0 4 8 x 2 0 4 8 线，视频宽和亮度分别为6 0 至3 0 0 姬! z 和2 3 f l 。 随着商清晰度显示器的发展，对图象质量的要求愈来愈高。先进的电子枪都配 有动态聚焦功能，对失真进行补偿。日立研制的动态聚焦电子枪，含四电极聚焦装 置，上下、左右各一对电极，通过在这些电极上施加电压并与偏转扫描同步，准确 地控制电子束的形成，使屏幕上电子束直径一致。 h d t v 的扫描线数由现行制式的5 0 0 至6 0 0 线增至上千线。每一条线的象素由 7 0 0 增至2 0 0 0 点，其信息量为现行电视的5 倍，不久的将来，水平扫描行线将增 至2 0 4 8 线，分辨率为现行电视的1 6 倍。画面的宽高比从现在的4 ：3 扩大到 1 6 ：9 ，观看距离可由过去的7 倍屏高缩短到3 倍屏高，使视角进一步扩大，提高现 场的真实感。 平面化是彩色c r t 近年来努力发展的技术并取得突破性进展，1 9 9 1 年日本松 下推出“画王”，日立采用重影消除技术提高画质，索尼则推出超级单枪三束彩 2 东南大学硕士学位论文 管，其屏幕平面化是由圆柱形屏幕来实现的。现在各家公司均已开发出各式纯平彩 电，不久将成为市场的主流产品。 1 3 本文主要研究工作 本文对华飞公司生产的5 1 f s n n 彩色显象管的会聚误差和者屏误差的成因及调 整，从电子枪系统。1 、偏转系统、曝光系统及自动充磁系统“3 ( a m h ) 等工序进行 分析。并着重对自动充磁系统( a 跏) 调整系数矩阵的模拟计算进行研究，大大地 减少了繁琐的测量工作，提高测置精度，同时为生产线上废品的分析及解决提供了 迅捷可行的方法。 ( 1 ) 随着电子计算机和计算科学的发展，计算机辅助设计( c a d ) 在彩色显象 管设计及生产中得到了广泛使用。通过设计计算程序，用表面磁荷法叫模拟a m h 系 统8 极磁场的计算，用龙格一库塔法计算电子轨迹。对安装在电子枪内用于会聚和 着屏误差调整的飞利浦磁环的场分布、位分布以及屏上着屏和会聚情况进行模拟计 算。 ( 2 ) 根据5 1 f s n n 管型尺寸建立计算模型，建立会聚和着屏误差分析模型，求 出不同充磁状态下飞利浦环产生的空间磁场，进而求出在这种空间磁场下三色电子 在屏上的落点。通过绿束在屏上的落点评价其着屏误差，通过红、蓝两束相对于绿 束在屏上的落点评价会聚误差。设定飞利浦环产生的空间磁场为零，即可求出三色 电子束在屏上的落点作为管予着屏和会聚6 种参量的原始数值，即2 p x ，2 p y ， b x ，b y ，r x ，r y 。 ( 3 ) 通过改变8 个线圈磁强安匝数模拟计算得各参量的变量，解出线圈安匝 数与各参量之间变化关系。通过评价着屏与三柬会聚变化，经反复优化，最后计算 出调整系数表，并写成一个8 6 的矩阵，即a m h 调整系数矩阵。表示8 极线圈与 着屏和会聚6 种参量之量的关系。 ( 4 ) a 删机将实测的着屏和会聚的6 种参量值写成6 l 的矩阵，a m h 调整系 数矩阵与参量矩阵进行一个8 6 与6 x l 的矩阵相乘得到一个8 1 的矩阵，即8 个 东南大学硕士学位论文 线圈迸调整所需加的安匝数。再计算出的充磁状态下飞利浦环产生的空间磁场后， 即可求出三色电子束在屏上的落点即为调整后的着屏和会聚，反复模拟优化矩阵， 即可求得最佳充磁状态。从而改进了原来采用大量反复的测量，经计算来求得系数 矩阵的方法。 ( 5 ) 模拟生产实际状况，进行实例调整并对结果进行评价。 4 东南大学硕士学位论文 第二章彩色显象管 2 1 引言 彩色显像管( c r t ) 作为一种主流的显示器件，应用于电视机、计算机显示器等 消费电子行业，对人们的日常生活有着广泛影响。这是由于它具有高的清晰度、 好而丰富的色纯度、大视角、低成本等方面的优点m ，是目前还是其它显示器件 无法比试的。 决定彩色显像管清晰度的参数有：电子束斑的尺寸、显示屏的亮度和对比度。 它们又是由电子枪的质量、荫罩结构、荧光屏的质量和偏转系统的质量等来决定的 t a 】 o 除了有好的电子枪、荫罩、荧光屏及偏转系统的质量外，三束会聚误差、电子 束着屏误差等也都会影响清晰度。其中，着屏是指电子柬透过荫罩小孔后，光点着 落在屏上对应的荧光粉点上。着屏误差通常是由于屏涂层曝光错位、曝光后荫罩移 位、玻屏及玻锥粘接错位、电子枪封接时偏心等造成的。着屏误差会导致单色场的 缺色或异色，白场均匀性差或异色等。 会聚是指彩色显象管中红绿蓝三个电子束会聚相交于荫罩上的小孔处。当三个 电子束未偏转时，在屏中心小孔处会聚称为“静会聚”n 1 。在偏转后，三个 电子束的这种会聚，称为“动会聚”。静会聚误差由电子枪的装配误差使得边束 的倾斜角度或距枪的中心轴距离不一致及边束电子透镜偏心不一致引起的，生产中 通常静会聚误差更多是由于前者产生的。如果静会聚误差得不到校正，就会使图 像周围产生“镶边”( 过聚焦) ，或使图像模糊不清( 欠聚焦) 、或产生重影。更会不 可避免的影响动会聚。总之，会严重影响图像质量 为了校正着屏和静会聚误差，生产中都是用调整在彩色显像管的颈部靠电子枪 出口处的一组2 极、4 极、6 极磁铁的各自强度来实现的。飞利浦公司是用放置在 东南大学硕士学位论文 电子枪内的飞利浦磁环来产生上述磁极，从而来调整这种误差的“3 。本章对飞利 浦生产的5 1 f s n n 彩管相关的电子枪系统、偏转系统、曝光系统及充磁系统加以介 绍。 2 2 电子枪系统 电予枪是显象管中非常重要的一个部分，可被视为是彩色显象管的“心脏”或 “引擎”，由阴极产生电子束通过电子枪加速会聚到屏上，激发屏内表面荧光粉涂 层发光而产生图像。电子枪由阴极透镜( 三极系统) 、预聚焦透镜和主透镜组成。 最初采用的三枪三柬圆孔荫罩型的彩色管，效率很低，分辨率也不高；现在普遍采 用了单枪三束的荫条式彩色显象管，即采用能产生三柬分离的电子束的三孑l 电极构 成的电子枪。 图2 一l电子枪功能示意图( 单束电子流) 电子枪是一种精密器件，其元器件的精密度很高，所以其元器件的组装也是极 其精密的过程。电子枪组装时，各部件内外部都要保持对中，通过彼此之间的间距 控制使各部件在压入烧熔的玻璃陶瓷棒后准确定位。如果电子枪装配误差使得边束 倾斜角度或距轴距离不一致及边束电子透镜偏心不一致，将会引起静会聚误差。 6 东南大学硕士学位论文 2 2 1 阴极透镜 电子枪阴极透镜包括阴极和电极g l 及g 2 ( 见图2 一1 ) ，阴极表面覆盖一层特 殊氧化物，当灯丝加热到8 0 0 。c 时被激发，受熟的阴极涂层发射电子，在阴极周围 的“电子云”在g 2 正电压的作用下向g 2 移动。我们可以通过改变阴极电压控制阴 极、g l 、g 2 间的电场。阴极表面发射电子，阴极上加调制正电压( v k ) ，g l 电压为 0 ，g 2 电压通过g l 孔，在阴极前形成正电位区，不同的阴极电位对应不同的正电 位区面积、不同的发射电流，从而用阴极电位对发射电流进行调制。 阴极电压控制电子发射，当阴极电压越大，阴极表面的发射面积越小，一旦电 压达到一定值发射面积为0 ，就不再有电子发射；此电压称为截止电压( c u t o f f v o l t a g e ) 。截止电压的大小取决于三极系统的几何尺寸和g 2 上所加电压。 阴极工作电压与截止电压之间的差距称为驱动电压。驱动电压与束电流之间的 相关性几乎全由截止电压决定而与三极系统的几何尺寸没什么关系。通过调节v 9 2 可将截止电压设定到所希望的值。 在透镜作用下，离开阴极后的电子向中心轴会聚得到的极小束径称为束交叉 截面或交叉截面。电子束由交叉截面入射主透镜，最终在屏上成象。 ( 屏上成的是交叉截面的虚像的像) 2 2 2 预聚焦透镜 预聚焦透镜由g 2 和6 3 a 组成。该透镜的强度取决于v 9 3 v 9 2 电压比，v 9 3 v 9 2 电压比对电子束张角起作用，因此对主透镜的束径产生影响。即预聚焦透镜使进入 主透镜的电子束径减小，从而减小主透镜的象差；使交叉截面成虚像，进行主透镜 的放大倍数，总之减小屏上光点大小。 2 2 3 主透镜 主透镜的作用是使交叉截面或它的象成象于屏上，显象管和显示管的电子枪主 要用单透镜或双电极透镜( 浸没透镜) ，其中末端电极通过接触弹簧与内导相连。内 东南大学硕士学位论文 导电压与屏上电压相同( v s ) ，也称作阳极电压( v a ) 。阳极电压一般在2 5 k v 至3 2 k v 之间。 2 2 4 静会聚 由三个电子束形成的光点必须会聚于屏上( 静会聚) 。所以电子束不是水平运动 的，与中间的电子束相比，两边束有一个很小的角度。现代电子枪已成功地利用边 孔的偏心，以使电子束以一定的角度离开电子枪。使三条电子束正好相交在栅网的 隙缝处。最后三个电子束分别打在荧光屏上相应的荧光粉条上。 2 3 偏转系统 2 3 1 偏转线圈的作用 偏转线圈装在彩色显象管的颈部，它负责偏转电子束，使之在彩色显象管的屏 面上形成扫描光栅。 在现有的广播电视系统中都采用单向匀速直线扫描，并且规定电子束扫描从上 到下，从左到右形成矩形光栅。因此，偏转线圈包括两个系统，一个是行线圈，一 个是帧线圈，它们产生竖赢和水平磁场来使电子束水平和竖直地偏转，在偏转时三 束电子仍然保持在一起，并且满足会聚、色纯、光栅的要求。 2 3 2 对偏转线圈的要求 因为偏转线圈接在扫描电路中，所以是一个电路元件；它又装在彩色显象管颈 部对电子束进行偏转，所以又是一个电子光学元件。因此，从电路元件来说，要求 它具有一定的电阻、电感和电容值。从电子光学元件来说则要求它具有光点畸变 小，偏转灵敏度高，光栅几何畸变小等特性。 东南大学硕士学位论文 2 3 3 偏转线圈与彩色显象管的关系 偏转线圈作为一个电子光学元件，使彩色显象管由电子枪出射的电子束，在穿 过由它所形成的偏转场之后改变方向射向屏面。因此，到达屏面上的电子束的形状 受偏转磁场的偏转象差影响。经偏转后，会发生下象散、畸变。当然还会发生三束 会聚误差：如过会聚、彗差等等。故彩色显象管的画面质量与偏转线圈密切相关。 优化设计偏转系统是一个重要课题。当偏转线圈形状或彩色显象管的曝光透镜、屏 网距、电子束间距等无论哪一个发生变化时，则另一方必须随之变化。否则，将会 使画面的质量变差。 在设计新的偏转线圈时，必须给出与之相配的彩色显象管，以便确定偏转线圈 的技术指标。经过几次相互改进，不断提高方可完成一个新的偏转线圈的设计。同 样，在设计新的彩色显象管时，也必须给出与之相配的偏转线圈，几经改进方可完 成一个新的彩色显象管的设计。 在调整偏转线圈时，必须用标准彩色显象管进行色纯调整和会聚校正。同样， 在选择标准管时，必须用标准偏转线圈进行选择。 综上所述，画面质量是由彩色显象管和偏转线圈共同决定的，并且还与二者的 组装、调整是否良好有关。 2 4 曝光系统 通过光化学反应使荧光粉涂到屏的内表面上。在预涂后的第一步是让屏的内表 面涂绿粉悬浊液( 为了使荧光粉能发生光化学反应，通常采用在荧光粉粉浆中加感 光剂) ，插入荫罩，经紫外曝光，将所需位置的荧光粉经光化学反应后固化粘附在 荧光屏上，取出荫罩用水冲洗去未曝光的j 分。然而，曝光光线从光源经荫罩孔到荧 光屏是直线走，电子束却不相同。在磁场作用下同，电子束固有曲线路程发生变 化：安装底盘形状、电源及其变压器的位置，甚至阴极射线管在地球磁场中的取向 都会改变电子束的路程。 9 东南大学颈士学位论文 为了修正在电子束预期与荧光粉点相交处与实际曝光处的“着落误差”，在光 源和荫罩之间放一光学转向器，即通常称为“曝光透镜”。这种奇特的透镜以其仔 细计算并制造的明晰调制形状修正曝光时的荧光粉点位置。只有最高级的光学生产 机械才能生产这些非旋转不对称非球面光学元件。 光源已预先设定好，加上曝光透镜后，使得达到屏上各处的光线的轨迹与电子 束的轨迹相同。因此只有曝光的区域才会被相应色的电子束撞击到。 如果曝光错位，包括曝光台调整不到位、曝光时荧光屏不到位或荫罩插入不到 位以及曝光之后荫罩焊接移位等，均会引起着屏误差。 2 5 充磁系统( a 删) 为了校正着屏和静会聚误差，生产中都是用调整在彩色显像管的颈部靠电子枪 一侧的一组2 极、4 极、6 极磁铁的各自强度来实现的。飞利浦公司是用放置在电 子枪内的飞利浦磁环来产生上述磁极，从而来调整这种误差的。飞利浦磁环由可充 磁的材料组成，在a m h ( a u t o m a t i cm a g n e t i ch a r b o r ) 机上完成充磁的，a m h 机结 构如图2 2 所示。 i 升l n i i n 撼 绷朋 i ，i e i g h t f r o t a r y c o i l ： 图2 - 2a m h 机示意图 1 0 东南大学硕士学位论文 2 5 1 舢工作原理 a m h 机由两部分组成，内部是一组由8 个线圈激励的8 极系统，8 个线圈通以 包含了由2 p x ，2 p y ，4 p x ，4 p y ，6 p x ，6 p y 六个分量组合的激励电流，根据着屏探 头及会聚探头的测量，通过a d 信号转换，将测得的未经调整的着屏和静会聚的偏 差量与a m h 调整系数矩阵相乘计算出2 极、4 极及6 极场的调整置，再经d a 信号 转换，并将它们叠加后的量变换成激励电流量，通过a 枷机的8 个磁极的线圈充 模拟扫描信号 2 p x 2 p y r x r y b x b y 童 d a 电流驱动 图2 - 3 栅机工作原理 在已装配在电子枪内的飞利浦磁环上。工作原理图如图2 - 3 所示。单有这8 个磁极 是充不上磁的。为了退磁，固化工作点，a 姗机在8 极系统外部还有一个由4 个线 圈激励的4 极系统。它们是成对工作的，在水平对和垂直对中分别通以有9 0 。相位 差的5 0 周交流电，从而产生一个旋转场，它对飞利浦环进行反复充磁退磁，最后 将上述8 个磁极的磁位固化在内部飞利浦环上。旋转场的能量用来实现8 极充磁。 h 挖m n：；”雕 东南大学硕士学位论文 y 下道工序 程 一交一 流 1 一作f 上。、一 工 一；一三 52 ， 东南大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章会聚系统 显象管中三个电子束相交在荫罩板上小孔处，这种情况称为“会聚”。当三个 电子束未偏转时，在屏中心孔处会聚，称为“静会聚”。在偏转时，三个电子束会 聚，称为“动会聚”。一般来说，由于偏转系统和彩色管结构的原因，在偏转时， 三个电子束难于同时会聚在同一个荫罩孔上，而需要在管外和管内加一些会聚电路 和部件，使三个电子束处处会聚在荫罩孔上，这统称为“会聚系统”或会聚技术。 3 2 静电会聚系统 旋转对称场具有旁轴点聚焦成象性质，因而圆透镜广泛地用于形成电子离子 象，或用于形成小束斑的电子或离子束探针。但旋转对称场有其局限性。首先，旋 转对称场的旁轴区主要场分量是轴向场e z 及b z ，横向场是正比于轴向场轴向变化 率及离轴距离的小量，而正是横向场产生了聚焦作用因而圆透镜难以得到非常短 的焦距或非常强的聚焦作用，不能胜任粒子的聚焦而非旋转对称的四极场透镜却 可以解决这个问题。 3 2 1 直轴多极场 非旋转对称系统，其电子或离子束的中心仍是一直线轴。对于这种系统，用柱 坐标系统( r ，y ，z ) ，其电位或磁标位满足拉普拉斯方程： 罂a r 七翌a r 十詈+ r 雾= o z ra z 。 z a 警l 一般来说，非旋转对称意味着u = u ( r ，甲，z ) ，u 也是甲的函数。 ( 3 一1 ) 东南大学硕士学位论文 把u ( r ，y ，z ) 对甲作傅立叶展开 u ( r ，甲，力= 孝。( r ，z ) c o s m y + 1 ( “、) s i n m y m 2 0 ，1 ，2 ， ( 3 2 ) m = o 显然m = o 的项就是旋转对称场分量，孝。( r ，z ) 是旋转对称场。( 3 - 2 ) 式方括号 内的两项叫m 次谐波电位，其第一项相对于甲= 0 子午面左右对称；而第二项相对 于、壬，= o 子午面左右反对称，相当于第一项的场的对称面移动了l ，可以认为是 z m 倾斜的m 次谐波电位。 将( 3 - 2 ) 式代入( 3 - 1 ) 式，可得出掌“及即”满足方程： 等+ 三r 型o r + 等m 矽2 吡。可+ 一+ 可一1 r 2 ” 鲨o r 2 弓望o r + 等一要r = 。，出2 2。 利用分离变量法，在包含z 轴的子午面，可以将( 3 3 ) 式的解写成 ( 啪) = 中。( ：) ( 扫) i 0 式中i m 为阶变态贝塞尔函数。 ”缈薹揣 ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) ( 3 - 3 ) 东南大学硕士学位论文 当r 一 o 时，i 。( 妇) 一 ( ”。一般i m ( r ) 可展为r 的偶次项级数与，搠的乘积。故 ( 3 - 4 ) 式可以写成 孝”( ) = ，以，( = ) ，2 ” v 神 将( 3 6 ) 式代入( 3 3 ) 式，可以得到a m y ( z ) 应满足的递推关系： 以，+ 4 ( v + 1 ) ( ，+ v + 1 ) 以v + l = 0 由此，如令a m o = 中。( ：) ，则 州= 砥鼎 式中 啪加等 ( 3 - 6 ) 即孝mlcr，z，=r”妻v=o：iiiii：i；j； c s s ， 同理 叩( c r ，z ，= ，”喜j i ；i ：i j ：；：c 。一。， ( 3 - 7 ) 东南大学硕士学位论文 由此可得，通过级数展开式( 3 - 3 ) ， 各次谐波系数中( z ) ，中。( z ) ，y 。( z ) ， 上各项，可得： ( 3 喝) 及( 3 - 9 ) ，一般非旋转对称场可用 m ：( z ) ，( z ) 。来描述。如果忽略，5 以 肌加m 一；+ 丢， + ( ( i ) j - 1 ，2 。3 r c o s 驴, + ( 一i 1 ，2 p s i n 妒 + 一+ ( 中2 一壶，中2 ) r 2 c o s 2 y + ( 一壶，矿2 h ) ，2s - n 2 ” + 中3 ，3 c o s 3 y + ，3s i n 3 y + + 0 4 r 4c o s 4 妒 + v 一s i n 4 v + + ( 3 一1 0 ) 这种一般的非旋转对称包含以下分量( 以下只取o ，场讨论，因眠场是对称面移动 了的m 。场) 旋转对称场 u ：中一三母t r 2 + 土中( ) ，+ 4 6 4 11 = 中一专( y 2 ) + 去( y 2 ) + 二极场 u = ( 中一；中：，2 ) ，c 。s 妒 = 卜扣 门卜 t 6 ( 3 1 1 ) ( 3 - 1 2 ) 东南大学硕士学位论文 四极场 u = ( 中：一击咄2 ) r 2 c o s 2 甲 = 中：一击中+ y 2 ) 】( x ：一y 2 ) 六极场 = 中3 ( ，一3 x y 2 ) 八极场 u = 中r 4c o s 4 甲 = 中4 ( 石4 6 x 2 y 2 + y 4 ) ( 3 - 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) 依次类推，还有十极场，十二极场，等等，分别由轴上谐波电位 0 5 ，m 6 ，q j 6 i 描述。一般o 。，甲。描述2 m 极场。 ( 3 1 2 ) 式表示的二极场，显然主要是x 方向的横向场。特别地当中。的变化不 大，吉中：( x 2 + y 2 ) 相对中。可以忽略时，是一横向的均匀场： 0 t = 一o l = c o n s t ，e = 0 最2 一t 0 0 1 = c o r t # l ，风= 0 东南大学硕士学位论文 式中风为真空导磁率。 如图3 - 1 所示。当粒子大体上沿z 轴方向进入二极电场时，将受到x 方向的作用 力：已有一定速度的粒子进k - - 极磁场时，将受到y 方向的作用力。二极场的主要 作用是偏转作用。 ，f 1 、丁、 l ；八 ( ；剐；1 illl ll| ： ： ： ： ： ： ： ： ： ： v l l 一 图3 1二极场等位线及对电子的作用 ( 3 1 3 ) 式表示的是四极场。同样，当o ：项可以忽略时。其“纯”的四极场的位及 场向量为： u = 中2 ( 工2 一y 2 ) e x = 一2 中2 q = 2 中2 yl e = - 2 z o 中z 五b = 2 z o 西2 y j ( 3 - 1 6 ) 由( 3 - 1 3 ) 式，横截面上四极场的等位线具有双曲线的形式，双曲线族具有与x ，y 轴成4 5 。的渐近线( 渐近线上电位为轴上电位) ( 3 1 4 ) 式描写的场为六极 场，显然六极场沿一个圆周( 2 “角) 的变化周期重复三次而有六个极。六极场的 两个极与二极场相重合，所以以二极场为主的偏转场一般含有六极场的分量： ( 3 一 东南大学硕士学位论文 1 5 ) 式描写八极场。八极场沿一圆周( 2n 角) 的变化周期重复四次而有八个极。 即场分量与电子离子受到的作用力均正比于( x y ) 即离轴距离的三次方项。 3 2 2 四极透镜 主要场分量为四极电场或四极磁场的系统叫四极电透镜或四极磁透镜。四极透 镜的场应有四个电或磁极，在一个圆周内电极应周期变化两次，即有两个对称面和 两个反对称面。一般来说，具有上述两组对称及反对称面的任意四电极或磁极系 统，均构成四极透镜。 3 2 3 多极场系统的象差 四极场是可以看为在一个聚焦方位的聚焦透镜和一个与之垂直的散焦方位的发 散透镜的组合。组合四极透镜有聚焦成象性质。但是，与圆透镜一样，这一聚焦成 象性质是在满足旁轴条件下才成立。即是说，当物或象尺寸较大或粒子束也阑角较 大时就会出现象差。六极，八极及更多极透镜没有聚焦作用，但它们会引起相当于 象差的轨迹的偏移，这一作用常用来校正其他聚焦透镜系统( 圆透镜，四极透镜) 的象差。 3 2 4 圆透镜的轴上象散及其校正 电极磁极加工或装配的不完善，圆电子或离子透镜的旋转对称性受到破坏时， 会出现象差。这种不完全旋转对称性的圆透镜的主要场分量仍是旋转对称场，但与 此同时还有多极场的分量。正是这多极场分量造成了象差。这种旋转对称性受到破 坏的形式是多种多样的。其中最常见或主要的一种，是电极或磁极加工不圆，有一 定的椭圆度。具有椭圆形电极或磁极时，电场或磁场相当旋转对称场与四极场的叠 加( 当然还有起次要作用的更多极的场，如十二极场) 四极透镜在相互垂直的两个方向分别有聚焦和发散作用。因而，强度可调节的电或 磁四极透镜可用来补偿圆透镜的四极场分量的轴上象散作用。但四极透镜的对称平 面取向应与圆透镜电极椭圆的对称轴方向一致。为此，实际上常用八个电极或磁极 1 9 东南太学硕士学位论文 组成两组四极透镜。这两组四极透镜的对称面相差4 5 0 。因此，改变两组透镜四极 电压v 或激磁电流匝数n i 的相对值，则两组四极场的全成四极场的对称方向实际 上可以调整到任意方向并可调整到任意的强度，以达到消除轴上象散的目的。 3 3 直轴磁多极场系统 由平面双对称横向磁场构成的磁四极透镜，也是能使带电粒子束会聚的强聚焦 透镜。它的聚焦原理常被应用在同步加速器的强聚焦主导磁场部件中。 3 3 1 磁四极透镜的构成和空间磁场分布 图3 2 中画出了磁极表面是双曲面的理想磁四极透镜剖面。每个磁极由n l 安 匝的通电线圈激励，磁极顶点至坐标原点的距离为8 ，透镜厚度( z 方向) 为l 。在 忽略边缘散逸场的理想情况下，磁标位的等位面是一组双曲面族，如图中实线所 示。x ，y 轴为其渐近线。磁力线是与等位面正交的另一组双曲线族。 勃煌一 j 叭j ：= ： 颡。黟f i i 图3 2 磁四极透镜 东南大学硕士学位论文 如果有带正电的粒子束沿z 轴方向进入磁四极透镜，则在与磁力线方向垂直的罗伦 兹力的作用下。在y 方向得到会聚，在x 方向发散。 3 3 2 磁四极透镜中带电粒子运动轨迹和焦距、主平面位置 由于磁四极透镜较多用于离子聚焦和加速器中，因此，离子的运动轨迹也是相 当重要的。在静电和磁四极透镜中，表示电子运动轨迹的议程和透镜性能可以统一 用矩阵形式表示。 3 3 3 带电粒子运动的相对论修正 在粒子加速器和同步幅射装置中，几乎都广泛使用磁四极透镜来实现对高能带 电粒子束的聚焦，粒子速度v z 很大，要考虑相对论效应对带电粒子运动的修正。 3 3 4 四极透镜对和双聚焦条件 磁四极透镜与静电四极透镜一样，不能同时在两个方向都聚焦。如果有两个磁 场分布和长度完全相同的同轴的磁四极透镜，将它们按极性互成9 0 。交叉配置，如 图3 3 ，则在第一透镜内，x 方向聚焦，y 方向散焦。而在第二透镜内，x 方向散 焦，y 方向聚集，总的效果使粒子柬在两个相互垂直的方向上都得到聚集。这样配 置的两个四极透镜的组合，称为四极透镜对。 。 一 n 。 _ l 一 p 图3 - 3 四极透镜对 2 1 东南大学硕士学位论文 第四章空间磁场计算 4 1 引言 对开放边界磁场的计算机模拟除了用有限元法、双磁位法( 有限元法和其他方 法相结合) 外，还可以用表面磁荷法。在着眼点不是直接研究线圈激励电流如何产 生磁场的问题，应用表面磁荷法可以大量简化计算，避免在有限范围内人为设定无 限边界时所带来的计算误差。应用表面磁荷法还可以直接求出空间任意一点的场， 从而避免了计算轨迹时用数值微分法从位分布求场所带来的计算误差。另外表面磁 荷法在划分单元时可以比计算场域的维数降低一阶，为自动划分单元带来了方便。 表面磁荷法的缺点是只能对线性问题进行求解。本文选用表面磁荷法对飞利浦磁环 产生的空间磁场进行模拟计算，用龙格一库塔法求电子轨迹。 4 2 表面磁荷法计算空间磁场 表面磁荷法中，可以把飞利浦磁环产生的空间任一点的标量磁位m 看作是它表 面存在的表面磁荷所产生的磁标量位机，所以确定了飞利浦环的表面磁荷分布就 可以很容易的求出空间任意一点的磁位及磁场强度。 为了模拟计算不同充磁状态下飞利浦环产生的空间磁场，把该环表面作数值离 散即在该表面划分网格，设所分的子区域( 面元) 总个数为n ，面元内有一定量 的表面磁荷，第i 个面元内表面磁荷在空间任意一点p 产生的磁标量位由式 ( 4 1 ) 确定。式中r 。是点p 矢径，r 。是第i 个面元的矢径，而i r p - r 。i 则p 点 到第i 个面元的距离。吼是该面元内的表面磁荷密度，j 是该面元的面积。而p 点的总磁标置位可以看作是n 个面元内表面磁荷在该点产生的磁标量位的叠加，可 写为( 4 2 ) 式： 东南大学硕士学位论文 办2 蛄爵， ( 4 2 ) 一旦面单元划定，距离和面积都是已知数。于是如果知道了各面元的表面磁荷密 度，就可以很容易的求得空间任意点的磁标量位。进而求得该点的磁场强度，由 ( 4 3 ) 式确定。 = 军n 喇，) j 辫( 4 3 ) 为了确定各面元的表面磁荷密度，把考虑的场点取到各面元上，如第j 个面元上， 如方程( 4 。4 ) 式。 妒荤峙爵h 4 ， 一共可以写出n 个这样的方程。因为这些点的磁位是已知的，就形成了只有表面磁 荷密度q 为未知数的n 个方程组。解这个线形方程组，求出各面元内的盯，然后 再用( 4 2 ) 及( 4 3 ) 式，就可以空间任意一点的磁标量位及磁场场强度了。我们 用不同阶数的高斯一勒让德公式作数值积分。用高斯消元法解线性方程组求盯，用 龙格一库达法求电子轨迹。 求出不同充磁状态下飞利浦环产生的空间磁场，进而求出在这种空间磁场下三 色电子在屏上的落点。在相应的彩管模型中，就可以通过绿束在屏上的落点评价其 着屏误差，通过红、蓝两柬相对于绿柬在屏上的落点评价会聚误差。第一步设定飞 利浦环产生的空间磁场为零，即可求出三色电子柬在屏上的落点作为管子着屏和会 聚的原始数值；第二步经矩阵计算出的充磁状态下飞利浦环产生的空间磁场后，即 可求出三色电子束在屏上的落点即为调整后的着屏和会聚，反复模拟优化矩阵，即 矛上盱 蛙、 芝。 啦 东南大学硕士学位论文 可求得最佳充磁状态。从而改进了原来采用大量反复的测量，经计算来求得系数矩 阵的方法。 4 3 基本参量及各多极场作用 如图2 2 所示，8 个线圈对称地绕在充磁的磁极上，这些线圈可以产生需要的 多极磁场，使得电子束做6 种独立的运动来实现着屏和会聚误差的调整，其作用如 图4 - 1 所示，图中各符号为： g x ：绿束着屏x 方向的误差，即电子束透过荫罩小孔着落在荧光屏上的光点中心与 屏上对应的荧光粉点中心在x 方向的距离，亦即需要飞利浦环产生的