陳 鶴，董全林*，邵靜怡，劉洋洋，王軍偉，裴一飛

（1. 北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

電子束焊接技術(shù)由于其能量密度高、焊縫深寬比大等諸多優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于太空焊接[1]。基本上所有電子束裝備都離不開核心部件——電子槍[2]，電子槍的性能直接決定電子束性能的優(yōu)劣，而電子槍的性能取決于其電子光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[3]。

通常認為材料表面電子在獲得足夠能量后會垂直于材料表面逸出到真空環(huán)境中，此后受到電場力的作用而改變方向。太空焊接用電子槍要將逸出的電子束進行匯聚，必須采用聚焦系統(tǒng)[4-6]。目前，常用的電子聚焦方法有磁聚焦和靜電聚焦。磁聚焦系統(tǒng)主要應(yīng)用在電子顯微鏡、電子掃描探針等大型室內(nèi)分析型設(shè)備中，其優(yōu)點是易于滿足旁軸條件，不易出現(xiàn)高壓打火等現(xiàn)象；但是，此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、功耗大，安裝調(diào)試復(fù)雜。而靜電聚焦主要利用電場力實現(xiàn)對電子束的匯聚，結(jié)構(gòu)簡單、工作時無額外功耗[7-8]。

太空焊接用電子槍的電子束半徑在0.1 mm 量級，對聚焦系統(tǒng)的要求較高，綜合考慮功耗、體積和易控性等因素，以及聚焦系統(tǒng)與陰極發(fā)射系統(tǒng)和陽極靶的匹配后，通常選擇磁聚焦系統(tǒng)。本文將詳細介紹10 kV 太空電子槍光學系統(tǒng)的設(shè)計方法及流程。

1 一級聚焦電子光學系統(tǒng)

一級聚焦電子光學系統(tǒng)（簡稱一級聚焦系統(tǒng)）包括高壓部分、三極電子槍和1 個聚光鏡，電子槍陰極材料選用六硼化鑭（LaB6），系統(tǒng)已知的性能參數(shù)和設(shè)計目標如表1 所示。經(jīng)計算，電子衍射效應(yīng)產(chǎn)生的束斑直徑極限在0.1 nm 量級，遠小于大束流要求的0.1 mm 量級。陰極發(fā)射電子束在陽極孔下端附近產(chǎn)生束腰（即電子束軌跡中第1 個最小橫截面的位置），陰極和陽極軸上距離約為6.6 mm。

1.1 電子槍參數(shù)計算

考慮陰極壽命、加熱溫度以及發(fā)射束流等因

表 2 鎢與LaB6 陰極電子槍參數(shù)Table 2 Parameters of tungsten and LaB6 cathode electron guns

圖 1 實際使用的鎢陰極結(jié)構(gòu)Fig. 1 The actual tungsten cathode structure

電子槍結(jié)構(gòu)及其電子束軌跡如圖2 所示。

圖 2 電子槍結(jié)構(gòu)及其電子束軌跡示意Fig. 2 Schematic diagram of the structure of electron gun and its electron beam trajectory

1.2 聚焦線圈參數(shù)計算

一級聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3 所示，其中：陰極端面中心為坐標原點O，束腰在距O點11 mm處，聚光鏡中心線距O點285 mm；S為極靴間隙；D為極靴孔直徑；假設(shè)工作平面距聚光鏡下端面300 mm，即工作距離為300 mm。

圖 3 一級聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig. 3 Schematic diagram of the single-lens focusing system

由聚光鏡像距b=315 mm，物面交叉斑直徑h1=0.3 mm，像面束斑直徑h2=0.4 mm，可根據(jù)牛頓光學公式

計算得到聚光鏡物距a=236.25 mm。

繼而可根據(jù)焦距公式

計算得到聚光鏡焦距f1=135 mm。

1.3 一級聚焦系統(tǒng)仿真

ABER 程序利用一階有限元法來計算光路圖，可以涵蓋聚光鏡以及偏轉(zhuǎn)器的光路仿真。根據(jù)此程序進行計算，可得到一級聚焦系統(tǒng)性能參數(shù)的仿真結(jié)果如表3 所示，光路如圖4 所示。

表 3 一級聚焦系統(tǒng)性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of the single-lens focusing system

圖 4 一級聚焦系統(tǒng)光路圖Fig. 4 Optical path of the single-lens focusing system

圖4 中：Yp表示的是模擬軸上電子束的出射軌跡，Xp和Rp是不同電子束的出射軌跡；縱坐標表示電子束的徑向位置。

為確保電子槍可以產(chǎn)生足夠的束流，可通過Source 程序查看束流發(fā)射情況，如圖5 所示。

圖 5 一級聚焦系統(tǒng)電子軌跡圖Fig. 5 Electron trajectory map of the single-lens focusing system

根據(jù)計算結(jié)果及圖5 可以看出，聚光鏡焦距僅有135 mm，并不能實現(xiàn)在工作距離為300 mm 時束斑直徑為0.4 mm 的設(shè)計目標；并且束流經(jīng)過透鏡時已經(jīng)開始發(fā)散，使得束流的能量損失較多。因此需在此聚光鏡前增加一級聚光鏡（下文稱新增聚光鏡為第一聚光鏡CL1，現(xiàn)有聚光鏡為第二聚光鏡CL2），成為二級聚焦電子光學系統(tǒng)（簡稱二級聚焦系統(tǒng)）。

2 二級聚焦電子光學系統(tǒng)

2.1 二級聚焦系統(tǒng)設(shè)計

二級聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6 所示，幾何參數(shù)如表4 所示。該系統(tǒng)較之一級聚焦系統(tǒng)，為了調(diào)整束斑大小和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將陽極長度增加到18 mm，并將聚光鏡數(shù)量由1 個增加為2 個。

圖 6 二級聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig. 6 Schematic diagram of the two-lens focusing system

表 4 二級聚焦系統(tǒng)幾何參數(shù)Table 4 Geometric parameters of the two-lens focusing system

由圖6 可知，根據(jù)實際機械結(jié)構(gòu)，CL1 的物距a、像距b與CL2 的物距c之和為定值；根據(jù)光學幾何關(guān)系，a、b、c與CL2 的像距d之間應(yīng)滿足如下關(guān)系：

■

于是，可計算出參數(shù)a、b、c的值如表5 所示。

表 5 CL1 位置選取參數(shù)計算結(jié)果Table 5 Calculated results of position selection parameters for CL1

綜合考慮機械結(jié)構(gòu)，選取a=55 mm、b=10 mm、c=55 mm 作為初值，則可據(jù)式(2)計算得到CL1 的焦距f1=8.46 mm。

計算得到線圈激勵參數(shù)NI=1361 A·T。

2.2 二級聚焦系統(tǒng)仿真

利用ABER 程序仿真得到上述二級聚焦系統(tǒng)光路如圖7 所示。

由圖7 可知，該二級聚焦系統(tǒng)不能保證電子槍束腰直徑為0.3 mm，為此需要重新調(diào)整，將CL1 調(diào)成弱激勵，CL2 調(diào)成強激勵。經(jīng)過迭代仿真，得到調(diào)整后的二級聚焦系統(tǒng)光路如圖8 所示。

圖 7 二級聚焦系統(tǒng)光路圖Fig. 7 Optical path of the two-lens focusing system

圖 8 調(diào)整后的二級聚焦系統(tǒng)光路圖Fig. 8 Optical path of the improved two-lens focusing system

3 電子光學系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

第2 章設(shè)計的二級聚焦系統(tǒng)的仿真結(jié)果顯示其二級聚光鏡的位置并不是最優(yōu)的，因此需要通過迭代仿真得出滿足設(shè)計目標的最優(yōu)參數(shù)值，經(jīng)調(diào)試優(yōu)化后的電子光學系統(tǒng)參數(shù)如表6所示。

表 6 優(yōu)化后的電子光學系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)Table 6 Design parameters of optimized electronic optical system

由表6 可以看到，電子槍在保證電子束束流為300 mA 的情況下，電子槍束腰直徑的最優(yōu)解為0.282 mm，并未達到0.3 mm 的系統(tǒng)參數(shù)要求，但為了保證在300 mm 工作距離的像面上束斑直徑能達到0.4 mm，表6 中的參數(shù)已是最優(yōu)的結(jié)果。

4 結(jié)束語

綜上所述，為實現(xiàn)太空電子槍項目的設(shè)計目標，根據(jù)前項工作中完成設(shè)計的電子槍結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，設(shè)計了聚焦系統(tǒng)，并進行了光學計算及仿真分析。研究發(fā)現(xiàn)，一級聚焦系統(tǒng)不能實現(xiàn)在工作距離為300 mm 時束斑直徑為0.4 mm 的設(shè)計目標，繼而設(shè)計了二級聚焦系統(tǒng)。對二級聚焦系統(tǒng)的光學參數(shù)進行仿真分析表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)既定設(shè)計目標。

需說明的是，現(xiàn)設(shè)計中未考慮大電流情況下庫侖力對束斑質(zhì)量的影響，后續(xù)研究會將這部分影響加入到電子槍的初值設(shè)計中。