浅析空间电子束焊枪电子光学系统的设计

摘 要：在当前的社会当中，焊接技术是一项十分重要的技术，空间焊接是其中一个主要的分支。随着科技的不断发展和进步，空间电子束焊枪在应用当中不断得到优化，特别是在电子光学系统的应用之下，其作用和性能也得到了进一步的提升。基于此，本文对空间电子束焊枪电子光学系统的设计进行分析，以期推动该技术更高的发展与进步。

关键词：空间电子束；焊枪；电子光学系统；设计

随着空间工业、宇宙科学研究、航天技术等领域的不断发展，各个国家对于空间更大规模的利用都十分重视，因而纷纷开展了在轨建造技术的开发。而在未来的航天飞行器空间组装和维修当中，焊接是一个十分重要的过程，因此，应当针对空间环境发展适合的焊接技术。在空间焊接当中，电子束焊接是一项较为理想的焊接技术，特别是随着电子光学系统的发展和应用，使得这一领域得到了很大的提高。

一、空间电子束焊枪电子光学系统的设计方案

在电子束焊枪的应用当中，阴极对电子进行发射，在阴阳极之间，通过加速电压被加速，基于聚束极的作用，从阳极孔成束穿过。然后在电荷的作用下发生发散，电子束由电透镜向工件上进行汇聚和撞击，从而融化金属，完成焊接工作。在电子枪的构成结构当中，主要包括阳极以外的透镜区，其像距为a，物距为b。另外还包括阴阳极之间的静电区。在设计当中，主要是针对透镜部分进行设计。在聚焦电子束的过程中，可以通过磁聚焦和静电聚焦的方式完成。其中，由于磁聚焦装置不适用于空间焊接，因此可采用静电透镜的方式，具有质量轻、功耗低等优势。在采用的单透镜聚焦当中，单透镜电子枪具有很多方面的优点，例如结构可以封闭，能够有效屏蔽杂散场，可用低聚焦电压，电压稳定性要求不高，会聚角小，因此束界面小，以及电流散焦小等。

二、单透镜聚焦的基本原理

在单透镜当中，一般包含三个电极，其中，两个外电极具有相同的电压，因此，在透镜两边是等位区，而中间电极与外电极点位不同，应用较多。在等位面和单透镜电极中，通常具有左右对称的形状。一般的单透镜都包含三圆筒或三膜片，其中等径三圆筒单透镜结构较为简单，因而应用较为广泛。在静电透镜中心面左边，具有正电场，因而促使电子向轴汇聚，而中心面右边，具有负电场，促使電子离轴发散[ 1 ]。轴向电场在透镜区当中，具有相同的方向，因而电子会不断提速。在汇聚区域，电子的飞行速度相对较低，因此时间较长，透镜能够发挥出会聚的作用。在单透镜供电当中能够，接地两边电极，在中间电极则是负高压，所以不对电子进行截获。电子枪采用该系统，称为零电流电子枪。

三、电子束束斑的物理构成因素

在空间电子束焊枪当中，电子束束斑指的是电子枪对圆截面电子束进行发射，穿过阳极进入单透镜区，电场在对其进行聚焦之后，打到工件之上，该电子束通常具有最小圆截面。电子枪具有一定的发射功率，能够对电子束斑达到工件上的截面面积进行控制，因而在单位面积中，能够对电子束能量进行有效的提升，从而实现电子束焊接的效果[ 2 ]。在空间电子束焊枪的实际应用当中，有很多因素会对束斑的大小产生影响，主要包括静电区电子热初速度、漂移区空间电荷效应、电透镜球差、以及色差等。为了对打到工件的电子束斑半径进行准确的计算，应当对这些因素进行考虑，从而对最小半径的电子束斑进行获取，在单位面积内，进一步提高电子束的能量，从而取得更为理想的焊接效果。

四、电子束焊枪参的数概算

在空间电子束焊枪电子光学系统当中，主要包含了透镜、静电等部分。需要结合透镜的几何参数，以及对电子束斑产生影响的物理参数，整体性的定量分析电子光学系统，从而更好的设计枪体机构和透镜部分，为电子束焊枪的设计提供基础。其中，电子枪加速电压为10千伏、束流为100毫安、功率为1千瓦，需要对打到工件电子束斑的直径、中间圆筒上负电压、两圆筒之间间隙、圆筒直径、像距和物距等进行计算[ 3 ]。通过对这些参数的计算，得出能够满足空间焊接实际要求的电参数、几何尺寸、透镜结构等，同时通过相应的实验进行验证。在对影响电子束斑直径的因素进行考虑的基础上，应当能够结合底面应用的磁场聚焦电子束焊枪的计算方法进行参考和修正，然后利用计算机进行模拟计算和验证，最终得出准确、可靠的计算方法。以此对电子束斑直径进行计算，从而能够与实际的电子束斑数值更加接近，计算误差更小，因此能够设计出更为良好的电子束焊枪。

五、编程结果分析和参数选择

在对物理因素进行分析之后，对编程进行相应的计算。其中，给定的电子枪加速电压为10千伏，束流为100毫安，功率为1千瓦，圆筒直径为10毫米。在计算机辅助计算当中，需要对中间圆筒负电压、两圆筒之间间隙、中间圆筒长度、像距、物距等参数进行应用。根据这些因素的影响，电子束斑的直径也与之相关。通过计算得出像距为50毫米，物距也为50毫米，放大率为1。在编程结果当中，加速电压为10千伏，束流为100毫安，圆筒直径为10毫米，S/D的数值为0.4、0.5、0.6、0.8、1.0[ 4 ]。在0.04到0.05的弧度之间，能够得到较小的束斑半径的值，因此，进行透镜部分计算，在0.04到0.05之间选择参数。利用计算机辅助计算获取透镜的集合参数，在工件上得到相应的电子束轨迹图。在工件上，电子束的轨迹为先发散、然后在经典透镜聚焦的作用下，电子束的半径被压缩，因此，最终有0.68毫米半径的电子束斑达到工件上。

六、结论

随着空间技术的发展，空间电子束焊枪正在得到越来越广泛的应用。而在其实际应用当中，由于空间环境的特殊性等限制，应当采用电子光学系统对其工作进行辅助，结合电子束斑的影响因素，对空间电子束焊枪电子光学系统的设计进行了研究和分析，从而进一步提升电子束焊枪的应用效果。

参考文献：

[1] 公慧，周立伟，倪国强，张智诠，艾克聪.成像电子光学系统空间和时间像差的均方根半径（RMS）研究[J].光学技术，2011，04：507-512.

[2] 马正斌，刘金合，卢施宇，王世清.电子束焊接技术研究及进展[J].电焊机，2012，04：93-96.

[3] 张航，孙通伯，于明玄.GH99镍基合金薄板电子束焊接头疲劳性能研究[J].工程与试验，2014，04：26-35+55.

[4] 齐铂金，范霁康，刘方军.脉冲束流电子束焊接技术综述[J].航空制造技术，2015，11：26-30.

作者简介：刘畅（1992-），男，湖北黄梅县人，专业：物电学院光信息科学与技术。