Конструирование “коротких” осесимметричных фокусирующих систем

Прежде чем приступить к конструкторскому и электрическому расчету фокусирующей системы необходимо определить ее положение на оптической оси. При выборе положения фокусирующей системы исходят из основного требования – получить минимальный размер фокусного пятна в плоскости изображения. Для выполнения этого требования фокусирующую систему надо располагать, возможно ближе к плоскости изображения. Однако при этом в случае наличия отклоняющей системы диаметр пучка увеличивается и увеличивается величина аберраций. При удалении фокусирующей системы от плоскости изображения улучшается равномерность фокусировки по всему полю изображения, но падает разрешающая способность в центре площади сканирования луча. При выборе положения фокусирующей системы нужно учитывать взаимное влияние полей отклоняющей системы и фокусирующей системы, которое вызывает дополнительные аберрации. Для этого надо увеличивать f и расстояние между оптической системой и фокусирующей системой. Для уменьшения протяженности магнитного поля нужно использовать систему с магнитопроводом. При этом желательно уменьшить ширину зазора S. Практически выбирают S = d / 2. Это обеспечивает минимальную величину сферической аберрации и наилучшие энергетические параметры. Таким образом, приближение и удаление фокусирующей системы к площади изображения уменьшает разрешающую способность оптической системы либо в центре, либо на краях плоскости обработки. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо провести оценочные расчеты величины сферической аберрации в центре и на краях для получения оптимального фокусного расстояния. Ориентировочно оптимальным считается расстояние 15 – 20 мм между фокусирующей системой и оптической системой.

После определения f рассчитывают необходимое число ампер – витков системы. В зависимости от условий работы и схемы питания фокусирующей катушки выбирают величину тока I _ф и находят необходимое число витков намотки.

Для работы фокусирующей системы без нагрева допустимая плотность тока выбирается в пределах 2-3 А / мм². Исходя их этого, выбирается диаметр провода намотки.

Далее выбирают тип намотки (рядовую, шахматную или в навал) и рассчитывают коэффициент укладки намотки – отношение сечения всех проводников к общему сечению каркаса. Для круглого провода:

(3.102)

где n – число витков;

d_u – диаметр провода с изоляцией;

D₁ и D₂ – внутренний и наружный диаметр намотки, соответственно;

h – ширина каркаса.

Для рядовой намотки к_у = 0,70, для шахматной к_у =0,80 – 0,82, для намотки в навал порядка 0,75-0,80.

Рисунок 3.32 - Каркас катушки

Зная число витков катушки n, тип намотки и примерную величину к_у находят разность диаметров или толщину намотки 2Н = D₂ – D₁ при заданном h или наоборот при заданном D₂ – D₁ – величину h. Диаметры D₁ и D₂ зависят от конструкции оптической колонны.

Определяют среднюю длину витка. По длине среднего витка, намотки, удельному сопротивлению провода и числу витков определяют сопротивление катушки.

Каркас катушки обычно выполняется из изоляционного материала с учетом его вакуумных свойств, это может быть керамика, стекло, полиэтилен, полистирол или полиамид. Изготавливать металлический каркас из электропроводящих материалов нецелесообразно, так как это затрудняет юстировку системы. Наружный магнитный кожух изготавливается из магнитомягкого материала, обычно армко-железо.

Детали магнитопровода после изготовления тщательно отжигаются для улучшения однородности магнитных свойств. Толщина материала выбирается по минимуму магнитосопротивления и обычно составляет 2 – 3 мм. Величина магнитосопротивления определяется из соотношения :

Для обеспечения высококачественных параметров и уменьшения асимметрии, магнитный кожух обычно собирается из точных деталей с особой тщательностью.

С основной фокусирующей катушкой могут быть совмещены катушки динамической подфокусировки луча. Назначение катушки динамической под фокусировки - улучшение качества фокусировки по краям зоны обработки.