一种60kV焊接用太空电子枪的设计研究*

2023-02-18王海洋董全林张永泰王思展刘业楠

航空制造技术 2023年3期

王海洋，董全林，赵然，张永泰，王思展，刘业楠

（1.北京航空航天大学，北京 100083；2.迪瑞医疗科技股份有限公司，长春 130012；3.北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

近年来，以电子光学系统为核心的仪器设备已广泛应用于生物、材料等多个学科[1–2]，并在航空航天、生物医学、半导体加工制造等众多行业领域中发挥着举足轻重的作用[3–5]。焊接用太空电子枪属于发展迅速且应用广泛的电子光学系统，其研究与发展促进了多个领域的进步。

电子束焊接具有能量密度高，焊接速度快，工件变形小，电子束易于控制等特点，极其适合完成太空中的焊接工作[6]。与欧美等一些国家相比，我国太空焊接技术的研究起步较晚[7–8]。电子枪焊接技术的研究对我国的航空航天事业发展具有十分重要的意义。本文设计了一种60 kV 焊接用太空电子枪并进行了仿真，得到了满意的结果。

1 电子枪设计参数

电子枪设计参数如表1所示。

表1 电子枪设计参数Table 1 Design parameters of electron gun

2 电子轰击间热式阴极

电子枪的性能直接影响着电子束焊接质量，要想提高电子枪的功率，有提高加速电压和增大阴极发射电流两种方法，然而，过度提高加速电压会产生X 射线，对人体造成一定的伤害，需要采取一定的防护措施，这给电子枪的设计带来很大的不便。

因此，可通过增加阴极发射电流的方式去提高电子枪的功率，这需要选用电子发射能力较强的阴极材料。该方案不需要采取特殊的措施，安全性高，同时可以很好地满足设计要求。

2.1 阴极加热方式

阴极的加热方式通常有直热式和间热式。间热式加热方式是由灯丝通交流电以后加热发射出电子，电子再去轰击阴极致使其温度升高而发射出电子。间热式阴极具有束斑较为固定，使用寿命长，发射电流密度高等优点。因此本文设计的太空电子枪采用间热式阴极。

2.2 阴极及灯丝材料的选择

理想的阴极材料需要有功函数较低，工作寿命长，发射性能稳定，熔点高等特点。在热发射类型中，最常用的两种电子枪阴极材料是钨（W）和六硼化镧（LaB6）。LaB6是一种新型的阴极材料，具有金属良好的导电性且逸出功低，工作在1400～1680 ℃内时，可以获得0～100 A/cm2的直流发射电流，远胜于氧化物及纯金属阴极。从理论上讲，场发射性能要优于其他发射类型，但由于目前的技术不够成熟等原因，场发射还不能得到广泛的应用。

Source 是一套分析和设计电子源的程序，软件采用二阶有限元法，可对静电场和磁场进行计算以及对电子束进行分析[9]。为了更好地研究W 和LaB6的发射性能，利用Munro 软件程序中Source 模块计算两者在一定条件下（设定阴极尺寸、栅极电压等）的阴极温度与束流大小关系，利用Matlab 做出曲线，如图1所示。

对比观察图1，两者关系曲线的形状大致相同，但要获得60 mA 的束流，W 阴极的温度要达到2900 K，而LaB6阴极只需要1900 K，显然与传统的钨阴极相比，LaB6阴极发射性能更好。这是因为LaB6的逸出功比W 小很多，只需要较低的温度便可获得较大束流。LaB6高温下性能稳定，重复使用性能好，并且LaB6阴极的使用寿命远大于W 阴极。因此，本研究选用LaB6作为阴极材料，以W 作为灯丝发射电子轰击LaB6阴极。这样LaB6阴极在较低的温度下就可以发射出大量的电子，并且性能稳定，可以满足大功率电子枪的设计需求[10]。

图1 W 和LaB6 温度与束流关系曲线Fig.1 Temperature and beam relation curves of W and LaB6

3 电子枪与透镜的初值计算

3.1 电子枪的初值计算

对于电子枪的设计，本研究通过加速电压U、发射束流I、注腰半径rw、阴极发射电流密度jc这4 个参数来计算电子枪初值。需要计算出的初值参数主要有阴极截面半径rc、阴极半锥角θ、阴极曲率半径Rc、阳极曲率半径Ra、阳极孔半径ra、阳极头位置Za等。

首先计算得到修正电压，即

然后可以计算出导流系数P（单位为μP）和rc，即

根据式（4）得到θ初始值为

这一值可能和最终的结果有一定的差距，但不会影响最终得到的结果，因为综合迭代法能自动校正。得到θ值以后，根据式（5）可以得到朗缪尔参数（–∂），即

再由式（6）和（7）得到中间变量γ和tanφ1，即

然后，由式（8）和（9）得到阳极头处电子束半径rb和tanφ2：

tanφ1与tanφ2均表示Za处电子轨迹的斜率，理论上应当相等，tanφ1是考虑空间电荷效应后由阳极孔效应得出的结果；tanφ2则是在等电位区域利用“通用电子注发散”曲线得出的结果。

当φ1和φ2不相等时，利用式（10）来修正θ值，重新计算公式直到满足式（11）时结束，这时的θ值就确定为最后的半锥角值。

得到最后修正的θ值后，电子枪的其他基础参数可以由式（12）～（15）依次计算得出：

综合迭代法的流程如图2所示。

图2 综合迭代法流程Fig.2 Comprehensive iterative procedure

最后，通过程序的迭代获得了电子枪的初值，如表2所示。

表2 迭代后的电子枪初值参数Table 2 Initial parameter of electron gun after iteration

3.2 透镜的初值计算

首先考虑使用单磁透镜进行聚焦，为了保证设计的电子枪可以产生足够的束流，可以通过Source 程序来查看一下束流发射情况。

由图3可以看出，为了满足工作距离300 mm，透镜离电子枪3 极发射结构太远，导致束流发散，束流通过率较低，能量损失较大。因此需要增加一级聚焦透镜，使用二级聚焦透镜。

图3 电子轨迹图Fig.3 Electron trajectories

电子枪的交叉斑为0.3 mm，为了使电子枪能在工作平面处束斑直径达到0.4 mm，加入双磁透镜对电子束进行聚焦。结构示意如图4所示，其中Sc为交叉斑直径；Sw为工作平面束斑直径。此部分主要是针对聚焦线圈的设计与计算。

如图4所示，CL1 的物距和像距分别为a和b，CL2 的物距和像距分别为c和d。根据实际机械结构，a、b、c之和为定值，为保证工作距离为300 mm，则像距d为325 mm，同时已知电子枪交叉斑直径为0.3 mm，工作平面束斑直径Sw为0.4 mm。根据已知条件确定待求参数，并计算CL1 的设计参数，CL2 的相关参数在仿真时确定。

图4 电子枪光学系统示意图Fig.4 Schematic diagram of electron gun optical system

根据光学几何关系，以上参数需满足以下关系：

综合考虑机械结构等因素，选取a=75 mm，b=20 mm，c=65 mm 作为初值，则CL1 焦距f1为

计算可得：f1=15.79 mm。

焦距近似公式计算可得：

式中，S/D取值为1，则极靴孔直径D=26.9 mm，极靴间隙S=26.9 mm。

已知Vr=63.6 kV，则：

计算得NI=3416 A·T。

4 仿真与调试

4.1 电子枪的仿真调试

根据电子枪的初值以及计算结果画出电子枪的结构，然后利用Source 模块对电子枪进行仿真。根据仿真结果去修改理论值得到的结构，以使仿真结果满足发射束流和束斑直径的要求，经不断调试最终确定的电子枪具体结构如图5所示。通过仿真得到电子束轨迹如图6所示。

图5 电子枪结构图Fig.5 Electron gun structure drawing

图6中红色线为电子束的轨迹，黑色轮廓线为电子枪的电极，绿色线为等势线。可以看出，LaB6阴极直径相对较小，因为发射面积太大会影响束流的聚焦。电子束从阴极尖端发射出来以后，聚束极对电子束实现聚焦，限制电子束的形状。阳极对电子实现加速，最终汇聚为一定形状和速度的电子束射出电子枪。

图6 电子枪轨迹仿真图Fig.6 Electron gun trajectory simulation

通过仿真得到的电子枪的各项参数如表3所示。可以看出，通过仿真得到电子枪总发射束流为60 mA，交叉斑直径为0.3 mm，与本文的设计目标参数一致，因此满足电子枪的设计要求。

表3 电子枪仿真参数Table 3 Electron gun simulation parameters

4.2 透镜的仿真调试

在不断仿真调试的过程中，采用单一变量法进行了对CL1 和CL2 的激励，以及其位置4 个参数变化的规律性分析，如图7和8 所示。

从图7可以看出，CL1 激励越大，工作平面束斑就会越大；恰恰相反，CL2 激励越大，工作平面束斑就会越小，而且调节CL2 激励对工作平面束斑的影响更加明显。从图8可以看出，CL1 位置越远，工作平面束斑就会越大；而CL2 位置越远，束斑就会越小，显然CL2位置的变动比CL1 对工作平面束斑大小的影响更加明显。工作平面束斑越小，电子枪的工作性能越好，在追求性能的同时一定要结合实际情况，比如为了减小束斑而过度加大CL2 位置是不可取的，这样会增加电子枪的长度，从而造成结构的不合理。所以在调试过程中要调节多个参数，在满足工作平面束斑大小的情况下各个参数也都要处于合理的范围内。