王海洋，董全林，趙 然，張永泰，王思展，劉業(yè)楠

（1.北京航空航天大學(xué)，北京 100083；2.迪瑞醫(yī)療科技股份有限公司，長春 130012；3.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

近年來，以電子光學(xué)系統(tǒng)為核心的儀器設(shè)備已廣泛應(yīng)用于生物、材料等多個學(xué)科[1–2]，并在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體加工制造等眾多行業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著舉足輕重的作用[3–5]。焊接用太空電子槍屬于發(fā)展迅速且應(yīng)用廣泛的電子光學(xué)系統(tǒng)，其研究與發(fā)展促進(jìn)了多個領(lǐng)域的進(jìn)步。

電子束焊接具有能量密度高，焊接速度快，工件變形小，電子束易于控制等特點，極其適合完成太空中的焊接工作[6]。與歐美等一些國家相比，我國太空焊接技術(shù)的研究起步較晚[7–8]。電子槍焊接技術(shù)的研究對我國的航空航天事業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。本文設(shè)計了一種60 kV 焊接用太空電子槍并進(jìn)行了仿真，得到了滿意的結(jié)果。

1 電子槍設(shè)計參數(shù)

電子槍設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 電子槍設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of electron gun

2 電子轟擊間熱式陰極

電子槍的性能直接影響著電子束焊接質(zhì)量，要想提高電子槍的功率，有提高加速電壓和增大陰極發(fā)射電流兩種方法，然而，過度提高加速電壓會產(chǎn)生X 射線，對人體造成一定的傷害，需要采取一定的防護(hù)措施，這給電子槍的設(shè)計帶來很大的不便。

因此，可通過增加陰極發(fā)射電流的方式去提高電子槍的功率，這需要選用電子發(fā)射能力較強(qiáng)的陰極材料。該方案不需要采取特殊的措施，安全性高，同時可以很好地滿足設(shè)計要求。

2.1 陰極加熱方式

陰極的加熱方式通常有直熱式和間熱式。間熱式加熱方式是由燈絲通交流電以后加熱發(fā)射出電子，電子再去轟擊陰極致使其溫度升高而發(fā)射出電子。間熱式陰極具有束斑較為固定，使用壽命長，發(fā)射電流密度高等優(yōu)點。因此本文設(shè)計的太空電子槍采用間熱式陰極。

2.2 陰極及燈絲材料的選擇

理想的陰極材料需要有功函數(shù)較低，工作壽命長，發(fā)射性能穩(wěn)定，熔點高等特點。在熱發(fā)射類型中，最常用的兩種電子槍陰極材料是鎢 （W）和六硼化鑭（LaB6）。LaB6是一種新型的陰極材料，具有金屬良好的導(dǎo)電性且逸出功低，工作在1400～1680 ℃內(nèi)時，可以獲得0～100 A/cm2的直流發(fā)射電流，遠(yuǎn)勝于氧化物及純金屬陰極。從理論上講，場發(fā)射性能要優(yōu)于其他發(fā)射類型，但由于目前的技術(shù)不夠成熟等原因，場發(fā)射還不能得到廣泛的應(yīng)用。

Source 是一套分析和設(shè)計電子源的程序，軟件采用二階有限元法，可對靜電場和磁場進(jìn)行計算以及對電子束進(jìn)行分析[9]。為了更好地研究W 和LaB6的發(fā)射性能，利用Munro 軟件程序中Source 模塊計算兩者在一定條件下（設(shè)定陰極尺寸、柵極電壓等）的陰極溫度與束流大小關(guān)系，利用Matlab 做出曲線，如圖1所示。

對比觀察圖1，兩者關(guān)系曲線的形狀大致相同，但要獲得60 mA 的束流，W 陰極的溫度要達(dá)到2900 K，而LaB6陰極只需要1900 K，顯然與傳統(tǒng)的鎢陰極相比，LaB6陰極發(fā)射性能更好。這是因為LaB6的逸出功比W 小很多，只需要較低的溫度便可獲得較大束流。LaB6高溫下性能穩(wěn)定，重復(fù)使用性能好，并且LaB6陰極的使用壽命遠(yuǎn)大于W 陰極。因此，本研究選用LaB6作為陰極材料，以W 作為燈絲發(fā)射電子轟擊LaB6陰極。這樣LaB6陰極在較低的溫度下就可以發(fā)射出大量的電子，并且性能穩(wěn)定，可以滿足大功率電子槍的設(shè)計需求[10]。

圖1 W 和LaB6 溫度與束流關(guān)系曲線Fig.1 Temperature and beam relation curves of W and LaB6

3 電子槍與透鏡的初值計算

3.1 電子槍的初值計算

對于電子槍的設(shè)計，本研究通過加速電壓U、發(fā)射束流I、注腰半徑rw、陰極發(fā)射電流密度jc這4 個參數(shù)來計算電子槍初值。需要計算出的初值參數(shù)主要有陰極截面半徑rc、陰極半錐角θ、陰極曲率半徑Rc、陽極曲率半徑Ra、陽極孔半徑ra、陽極頭位置Za等。

首先計算得到修正電壓，即

然后可以計算出導(dǎo)流系數(shù)P（單位為μP）和rc，即

根據(jù)式（4）得到θ初始值為

這一值可能和最終的結(jié)果有一定的差距，但不會影響最終得到的結(jié)果，因為綜合迭代法能自動校正。得到θ值以后，根據(jù)式 （5）可以得到朗繆爾參數(shù) （–?），即

再由式（6）和（7）得到中間變量γ和tanφ1，即

然后，由式（8）和（9）得到陽極頭處電子束半徑rb和tanφ2：

tanφ1與tanφ2均表示Za處電子軌跡的斜率，理論上應(yīng)當(dāng)相等，tanφ1是考慮空間電荷效應(yīng)后由陽極孔效應(yīng)得出的結(jié)果；tanφ2則是在等電位區(qū)域利用“通用電子注發(fā)散”曲線得出的結(jié)果。

當(dāng)φ1和φ2不相等時，利用式（10）來修正θ值，重新計算公式直到滿足式（11）時結(jié)束，這時的θ值就確定為最后的半錐角值。

得到最后修正的θ值后，電子槍的其他基礎(chǔ)參數(shù)可以由式 （12）～（15）依次計算得出：

綜合迭代法的流程如圖2所示。

圖2 綜合迭代法流程Fig.2 Comprehensive iterative procedure

最后，通過程序的迭代獲得了電子槍的初值，如表2所示。

表2 迭代后的電子槍初值參數(shù)Table 2 Initial parameter of electron gun after iteration

3.2 透鏡的初值計算

首先考慮使用單磁透鏡進(jìn)行聚焦，為了保證設(shè)計的電子槍可以產(chǎn)生足夠的束流，可以通過Source 程序來查看一下束流發(fā)射情況。

由圖3可以看出，為了滿足工作距離300 mm，透鏡離電子槍3 極發(fā)射結(jié)構(gòu)太遠(yuǎn)，導(dǎo)致束流發(fā)散，束流通過率較低，能量損失較大。因此需要增加一級聚焦透鏡，使用二級聚焦透鏡。

圖3 電子軌跡圖Fig.3 Electron trajectories

電子槍的交叉斑為0.3 mm，為了使電子槍能在工作平面處束斑直徑達(dá)到0.4 mm，加入雙磁透鏡對電子束進(jìn)行聚焦。結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，其中Sc為交叉斑直徑；Sw為工作平面束斑直徑。此部分主要是針對聚焦線圈的設(shè)計與計算。

如圖4所示，CL1 的物距和像距分別為a和b，CL2 的物距和像距分別為c和d。根據(jù)實際機(jī)械結(jié)構(gòu)，a、b、c之和為定值，為保證工作距離為300 mm，則像距d為325 mm，同時已知電子槍交叉斑直徑為0.3 mm，工作平面束斑直徑Sw為0.4 mm。根據(jù)已知條件確定待求參數(shù)，并計算CL1 的設(shè)計參數(shù)，CL2 的相關(guān)參數(shù)在仿真時確定。

圖4 電子槍光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of electron gun optical system

根據(jù)光學(xué)幾何關(guān)系，以上參數(shù)需滿足以下關(guān)系：

綜合考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)等因素，選取a=75 mm，b=20 mm，c=65 mm 作為初值，則CL1 焦距f1為

計算可得：f1=15.79 mm。

焦距近似公式計算可得：

式中，S/D取值為1，則極靴孔直徑D=26.9 mm，極靴間隙S=26.9 mm。

已知Vr=63.6 kV，則：

計算得NI=3416 A·T。

4 仿真與調(diào)試

4.1 電子槍的仿真調(diào)試

根據(jù)電子槍的初值以及計算結(jié)果畫出電子槍的結(jié)構(gòu)，然后利用Source 模塊對電子槍進(jìn)行仿真。根據(jù)仿真結(jié)果去修改理論值得到的結(jié)構(gòu)，以使仿真結(jié)果滿足發(fā)射束流和束斑直徑的要求，經(jīng)不斷調(diào)試最終確定的電子槍具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過仿真得到電子束軌跡如圖6所示。

圖5 電子槍結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Electron gun structure drawing

圖6中紅色線為電子束的軌跡，黑色輪廓線為電子槍的電極，綠色線為等勢線?？梢钥闯?，LaB6陰極直徑相對較小，因為發(fā)射面積太大會影響束流的聚焦。電子束從陰極尖端發(fā)射出來以后，聚束極對電子束實現(xiàn)聚焦，限制電子束的形狀。陽極對電子實現(xiàn)加速，最終匯聚為一定形狀和速度的電子束射出電子槍。

圖6 電子槍軌跡仿真圖Fig.6 Electron gun trajectory simulation

通過仿真得到的電子槍的各項參數(shù)如表3所示?？梢钥闯?，通過仿真得到電子槍總發(fā)射束流為60 mA，交叉斑直徑為0.3 mm，與本文的設(shè)計目標(biāo)參數(shù)一致，因此滿足電子槍的設(shè)計要求。

表3 電子槍仿真參數(shù)Table 3 Electron gun simulation parameters

4.2 透鏡的仿真調(diào)試

在不斷仿真調(diào)試的過程中，采用單一變量法進(jìn)行了對CL1 和CL2 的激勵，以及其位置4 個參數(shù)變化的規(guī)律性分析，如圖7和8 所示。

從圖7可以看出，CL1 激勵越大，工作平面束斑就會越大；恰恰相反，CL2 激勵越大，工作平面束斑就會越小，而且調(diào)節(jié)CL2 激勵對工作平面束斑的影響更加明顯。從圖8可以看出，CL1 位置越遠(yuǎn)，工作平面束斑就會越大；而CL2 位置越遠(yuǎn)，束斑就會越小，顯然CL2位置的變動比CL1 對工作平面束斑大小的影響更加明顯。工作平面束斑越小，電子槍的工作性能越好，在追求性能的同時一定要結(jié)合實際情況，比如為了減小束斑而過度加大CL2 位置是不可取的，這樣會增加電子槍的長度，從而造成結(jié)構(gòu)的不合理。所以在調(diào)試過程中要調(diào)節(jié)多個參數(shù)，在滿足工作平面束斑大小的情況下各個參數(shù)也都要處于合理的范圍內(nèi)。

圖7 磁透鏡激勵與束斑關(guān)系Fig.7 Relationship between magnetic lens excitation and beam spot

圖8 磁透鏡位置與束斑關(guān)系Fig.8 Relationship between magnetic lens position and beam spot

通過調(diào)試得到了透鏡的最終參數(shù)，CL1 調(diào)為弱激勵300 A·T，位置為75 mm；CL2 激勵為1000 A·T，位置為250 mm。

最后利用Aber 程序來計算光路圖，如圖9所示。

圖9 聚焦透鏡光路圖Fig.9 Optical path diagram of focusing lens

5 結(jié)論

本文實現(xiàn)了一種焊接用太空電子槍系統(tǒng)的設(shè)計，完成了對電子槍和磁透鏡的設(shè)計，并通過仿真調(diào)試驗證了電子槍滿足總發(fā)射束流60 mA 和交叉斑直徑0.3 mm，以及在工作距離300 mm 處束斑0.4 mm 的設(shè)計目標(biāo)要求。本文的設(shè)計方法和過程，可以為太空電子槍的設(shè)計和相關(guān)研究提供一定的參考與借鑒。