磁场变化对电子束传输轨迹的影响分析

2022-03-11郭志伟贾子朝高学林

信息记录材料 2022年1期

郭志伟，贾子朝，高学林

（核工业理化工程研究院天津 300180）

0 引言

随着技术的发展，在加工制造中（如战斗机的机身材料）对金属的纯度以及大深度焊接提出了更高的要求，更多的难熔金属及其合金被作为加工材料来使用。难熔金属也称“高熔点金属”，常指体心立方的元素钼、钨、铌和钽，也包括密排六方的铼和体心立方的钒。这些金属的共同特点是熔点极高，熔点最低的钒也在2 100 K以上，常规的加工手段难以满足对这些金属的性能要求。同时这类金属还有较大的氧化性，采用普通方式进行加热，金属本身会在熔化之前先被氧化，使得加工失败。这就要求使用高能量密度的热源进行局部快速的熔化，同时还要排除熔炼过程中的氧化性气体。

电子束因其高能量密度、高穿透性等特点在航空航天、核工业以及汽车等行业得到了广泛运用[1]，可以实现常规手段难以实现的对于难熔金属的熔炼和加工、实现更大深度的焊接，突破传统加工手段的制约。同时由于电子束加工在真空氛围中进行，在加工过程中还可以通过分解、脱气、挥发和凝固等效应来提纯金属，金属的纯度也能够得到强有力的保证，获得更加优良的加工质量。

产生电子束的装置被称为电子枪，目前常用的是皮尔斯结构的电子枪。从产生电子束到电子束直接作用到目标源的过程称为电子束的传输，一般包含三个部分：发射、聚焦以及定位[2]。电子束的发射部分直接产生电子，一般由灯丝、阴极、聚束极和阳极等4部分组成。工作时，灯丝通电后产生的热电子在灯丝与阴极块之间负电场的作用下轰击阴极块，使阴极获得能量；当阴极获得的能量足够高，达到能够克服阴极材料的逸出功时，阴极块向外发射大量电子；聚束极的存在使得阴极块发出的电子不会无规则地散射，而是向中心会聚；阴极块发射的大量的电子在经过聚束极的会聚后，在阴极与阳极之间负高压电场的作用下向阳极方向加速前进，获得足够高的能量后最终穿过阳极中心孔，形成电子束流。

穿过阳极中心孔的电子束在电子之间相互斥力的作用下会发生无规则的发散，因此就需要使用特定的手段使电子束向中心轴线上“会聚”，使电子束会聚的过程称为电子束的聚焦[3-4]。一般是通过在电子束轴线方向上施加磁场，使向外发散的电子在洛伦兹力的作用下以螺旋前进的方式逐渐向轴线会聚。聚焦后的电子束需要以特定的路径作用至目标上，控制电子束实现这一功能的方式称为电子束的定位（也称为偏转）[5]，通过施加与电子束轴线方向垂直的磁场来实现。

分析电子束的整个传输过程不难发现，电子束的传输离不开磁场的作用。实际应用时，聚焦磁场及偏转磁场一般均来自通电导线产生的磁场。

在电子束的传输过程中，除了人为施加的磁场外，也受到空间地磁场的作用。有研究表明，空间地磁场的量级为10-5T[6]。空间地磁的存在会导致电子束的聚焦磁场以及偏转磁场发生变化。同时在电子束的整个传输路径上，聚焦磁场和偏转磁场仅在某一段路径上才对电子束产生作用，而空间磁场在电子束的整个传输路径上是恒定存在的。因此空间磁场对电子束的作用规律不能仅简单地通过“左手定则”判断出来。

因此在进行长距离传输，且需要精确控制电子束最终的轰击位置时，有必要掌握空间磁场对电子束传输的影响规律，以更加精确地控制电子束的传输。

本文主要通过分析不同磁场控制下电子束的传输轨迹，通过进行电子束方向、聚焦磁场方向、偏转磁场方向以及灯丝磁场的多维正交实验，确定实际条件下空间磁场对电子束传输的影响。

1 电磁场对电子束的作用

电子束从产生到最终轰击目标的传输过程中，主要受到电场力和磁场力的作用。

1.1 电场力的作用

带电粒子在通过空间电场的过程中，会发生电势能到动能的转化，也就是说，阴极发出的电子在阴阳极间负的加速电压U的作用下被加速到速度v。

根据动能定理，加速电压与电子的获得的速度关系如下：

1.2 磁场力的作用

带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力（Lorentz force）的作用，根据左手定则，只有当带电粒子的速度的方向与磁场的方向垂直时，带电粒子才会受到磁场的作用；如果带电粒子的速度的方向与磁场的方向平行，则该磁场不会对带电粒子产生作用。

设定带电粒子存在与磁场B垂直的速度分量v，则该带电粒子在磁场中会受到的洛伦兹力的大小为：

其中B为磁场中的磁感应强度的大小，q为带电粒子的电量，m为带电粒子的质量，v为带电粒子与磁场方向垂直的速度分量。

电子以速度v的方向在磁场中传输的过程中，在洛伦兹力的作用下会发生偏转。应用左手定则，当四指指电流方向，磁感线穿过手心时，大拇指方向为洛伦兹力方向。

传输过程中洛伦兹力使得电子获得了向心的匀速圆周运动，电子获得的偏转半径R与电子所受到的洛伦兹力的关系如下：

假定电子在绝对真空环境下，传输过程中不会受到空间阻力，电子的传输速度不会发生变化，那电子以速度v在匀强磁场B中通过距离L时，电子发生的偏转量H：

从上式不难发现，电子发生的偏转量主要与传输距离L、匀强磁场B以及电子的速度v有关。

2 实验设计

实验时，为增强对比性，采用两套呈对向布置的电子枪进行测试（图1）；同时分别在电子束的传输路径上各放置一套电子束直线轨迹测试工装（轨迹工装含7块监测板，其中第1与第7块监测板间隔400 mm，其余监测板均布。见图2），通过测量电子束击穿轨迹测试工装上监测板后，所得到的击穿印记大小、位置，拟合得到电子束的直线传输轨迹。

试验开始前，使用三维高斯计测量了真空腔体内的空间磁场。测量结果显示，由南向北的空间磁场约为0.43 Gs，由西向东的空间磁场约为0.1 Gs，竖直方向空间磁场约为0.35 Gs（方向由下向上）。根据上述试验方案，电子束的传输方向为东西方向，理论上，由于东西方向与电子束传输方向平行，根据洛伦兹力，东西方向的磁场对电子束不会产生作用；南北方向空间磁场作用下，距离电子束发射口360 mm（第1块监测板的位置）和760 mm（第7块监测板的位置）的位置，电子束会发生最大13.63 mm和36.55 mm的偏移量；竖直方向空间磁场的作用下，距离电子束发射口360 mm和760 mm的位置，电子束会发生最大11.1 mm和29.74 mm的偏移量。

试验过程所使用的电子枪A和电子枪B（以下简称A枪、B枪）为完全镜像的电子枪，也就是说，电子枪A和电子枪B的聚焦电流为正时，聚焦磁场均与电子束轴线方向同向；偏转磁场电流为正，均使电子束发生相对电子束方向相同的偏转。

实验过程中，将聚焦磁场电流和灯丝电流分为正接、反接两种状态，其中反接定义为与正接相反的电流流向；偏转磁场电流（包括水平方向偏转磁场电流和竖直方向偏转磁场电流），分别设定为0A、1A、-1A。

实验时，主要进行了以下条件的电子束传输测试。

（1）聚焦电流正接

保持灯丝电流方向不变，水平方向偏转磁场电流和竖直方向偏转磁场电流值分别设定为0A、1A、-1A，测试对应设定值下的电子束轨迹。

（2）聚焦电流反接

保持聚焦电流大小不变，灯丝电流方向不变，关闭偏转磁场（即设定偏转电流为0A），将聚焦电流反接，测试对应的电子束轨迹。

（3）灯丝电流反接

保持聚焦电流不变，关闭偏转磁场，测试灯丝电流反接时的电子束轨迹。

3 实验测试结果

为充分排除测试过程由于电子枪安装、制造以及监测板安装等带来的误差，每次实验均分别采用3把同版本电子枪进行测试，取3次测试结果的平均值作为每次实验最终的测试结果。

测量监测板上的击穿印记时，各被测点均以电子枪物理中心为零点；测量时，水平方向上以南向为正，北向为负；竖直方向上以向上为正，向下为负。

实验结束后，进行整理汇总的测试结果如下。

3.1 聚焦电流正接

聚焦电流均处于正接状态时，A枪与B枪得到的传输轨迹见图3。

图3中，A0、B0代表偏转电流为0安培，A-1、B-1代表偏转电流为-1安培，A+1、B+1代表偏转电流为+1安培。

从图3a可以发现，开启水平偏转磁场后，在竖直方向上，与未开启水平偏转磁场时，电子束的位置有轻微的变化，并且水平磁场电流-1A和+1A时，即水平磁场电流产生的磁场方向完全相反时，电子束位置发生的变化量绝对值相同，但趋势相反；开启竖直方向磁场（图3c），电子束在水平方向上也发生类似的位置变化。

3.2 聚焦电流反接

聚焦电流反接后，电子束的传输轨迹变化见图5。

可以发现，聚焦电流反接后，与正接状态时比较，竖直方向和水平方向上电子束均有更大的偏转量。

3.3 灯丝电流反接

阴极发射灯丝电流反接前后的传输轨迹变化见图5。

可以发现，灯丝电流反接后，与正接状态时比较，灯丝电流反接前后的电子束轨迹变化不大。

4 结果分析

（1）聚焦正接状态下，电子枪B发出的电子束由东至西发射，电子枪A发出的电子束由西至东发射，在水平方向（由南至北）空间本底磁场的作用下，B枪电子束传输过程中应发生向上的偏转，A枪电子束应发生向下的偏转；在竖直方向（由下向上）空间本底磁场的作用下，B枪电子束传输过程中应发生向南的偏转，A枪电子束应发生向北的偏转；偏转趋势均与无偏转磁场时的实际测试结果相同（图3a、图3c中的A0、B0），但由于测试腔体内不是绝对真空状态，实际测试过程中电子束由于空间阻力的存在偏转量均小于理论偏转值。

（2）聚焦电流反接后，电子束在传输方向上发生了更大的偏转量（图4），分析可能是反接后的聚焦磁场发生了变化。

实验中电子枪的聚焦线圈产生的是轴向磁场，聚焦电流反接后，聚焦磁场方向发生变化，聚焦线圈产生的磁场并不会发生变化。

分析聚焦磁场对电子束的作用机理可以发现，聚焦磁场对电子束主要起到“会聚纠偏”作用，即将杂散的电子束向聚焦透镜的物理中心会聚，主要是依靠与电子束方向平行的轴向磁场实现的。

由于东西方向空间磁场的存在，实际的聚焦磁场应是聚焦线圈磁场与东西方向空间磁场的复合叠加磁场。聚焦电流反接后，该复合磁场的大小会发生变化，相当于对电子束产生作用的实际“聚焦磁场”的大小发生了变化，对电子束的会聚作用力变小，对电子束由于南北方向以及竖直方向空间磁场导致的偏转量的“会聚纠偏”的能力下降，最终电子束的偏转量变大。

（3）实验中所有灯丝为蚊香型灯丝（图6），除了与电子束轴线平行的磁场外，灯丝盘面也产生了与轴线垂直的磁场；当灯丝与阴极块距离较小时，该磁场会使阴极发出的电子发生旋转，在轴线方向空间磁场的作用下电子束会发生聚焦或发散。

灯丝电流反接后，灯丝磁场对阴极电子的会聚或发散作用会发生改变，即假设灯丝正接时，灯丝磁场起对电子束起汇聚作用；灯丝反接后，灯丝磁场就会对电子束起发散作用。实际实验测试结果显示，灯丝电流反接前后，通过测量监测板得到的电子束的轨迹变化不大，这可能是由于实验中灯丝与阴极之间的距离较大（≥5 mm），灯丝磁场对阴极发出的电子影响很小，因此灯丝电流反接前后电子束轨迹变化不大。

（4）开启单方向偏转磁场时，电子束在另一个方向的位置发生了变化（图3a、图3c），主要是由于偏转线圈产生的另一个方向的分量磁场不能为零。试验中所用的偏转线圈由两组分别呈左右对称及上下对称的线圈组成，通相同方向电流时，左右（上下）对称的线圈产生的上下（左右）方向的磁场会被抵消；由于空间磁场的存在，电子束到达偏转线圈位置时，并不是中心穿过，另一方向的分量磁场不为零，使得电子受到了该方向的力，位置发生了变化。