電子束冷床爐熔煉爐大功率冷熱陰極電子槍對比分析

供稿|李育賢，楊麗春 / LI Yu-xian, YANG Li-chun

電子束熔煉爐是稀有金屬熔煉的重要設(shè)備，并以功率大小來命名，某公司從烏克蘭StrategiyaBM公司引進的3150 kW BMO-01型電子束熔煉爐，使用的7把GGF450型冷陰極電子槍，每把電子槍的功率為450 kW；從美國Retech公司引進的4800 kW BMO-02型電子束熔煉爐，使用的6把EH800V型熱陰極電子槍，每把電子槍的功率為800 kW。可見，電子槍在電子束爐冷床熔煉爐上所占的地位，可以說是電子束冷床熔煉爐的心臟。

電子槍

電子槍按其結(jié)構(gòu)形式可分為軸向槍(或稱皮爾斯槍)、非自加速環(huán)形槍、自加速環(huán)形槍及橫向槍。非自加速環(huán)形槍、自加速環(huán)形槍及橫向槍由于自身缺點，使用存在一些局限性，逐步被軸向槍取代。

某公司在3150 kW BMO-01型電子束熔煉爐上，使用7把GGF450型電子槍和4800 kW BMO-02型電子束熔煉爐上，使用6把EH800V型電子槍，都是軸向槍聯(lián)合使用，它們形成的電子束軸向?qū)ΨQ。主要有電子束發(fā)生系統(tǒng)、電子束加速系統(tǒng)和電子束聚焦、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)三部分組成。4800 kW BMO-02型電子束熔煉爐，使用的6把EH800V型電子槍就是傳統(tǒng)意義上的皮爾斯槍，陰極是用鎢塊制成，需要間接加熱，因此稱為熱陰極電子槍，由德國馮.阿登納真空技術(shù)有限公司研究制造；而3150 kW BMO-01型電子束熔煉爐，使用的7把GGF450型電子槍冷陰極電子槍為直熱式，陰極為鋁合金，不需要間接加熱，因此稱為冷熱陰極電子槍，在工作時需要充入氣體，也稱為氣體放電式電子槍，由烏克蘭巴頓焊接研究院研究制造。

兩種電子槍發(fā)射電子束的構(gòu)造和原理對比

EH800V型熱陰極電子槍和GGF450型電子槍冷陰極電子槍的構(gòu)造主要區(qū)別是陰極裝置(即產(chǎn)生電子束的原理不同)，等電子束發(fā)射后，經(jīng)過中間有孔的陽極、聚焦和偏轉(zhuǎn)等基本相同。兩種槍都是安裝在工藝位置上，即熔煉室的爐蓋上。

磁場內(nèi)的電子偏轉(zhuǎn)是借助電磁場影響射束電子的運動方向，此效應(yīng)是射束電子聚焦及偏轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，類似于透鏡對光束的效應(yīng)(光學(xué))。射束電子沿著磁場強度增強，則電子偏轉(zhuǎn)增大、另一方面沿著電子速度增高(即加速電壓增高時)，則電子偏轉(zhuǎn)衰弱。

EH800V型熱陰極電子槍發(fā)射電子束的構(gòu)造和原理

EH800V型熱陰極電子槍就是傳統(tǒng)意義上的皮爾斯槍，構(gòu)造如圖1所示。

陰極裝置 陰極裝置由一個旋轉(zhuǎn)對稱的三電極系統(tǒng)組成，三電極系統(tǒng)發(fā)射電子并帶有一個離子采集管。三電極系統(tǒng)組成：(1)實心陰極(在高壓電負(fù)極上)，間接加熱；(2)聚焦電極(在高壓電負(fù)極上)；(3)陽極(在接地線上)。一根陰極金屬絲安裝在實心陰極后，用于實現(xiàn)間接加熱。

陰極腔和中間腔 陰極腔和中間腔是兩個腔體。陰極腔是產(chǎn)生電子束的真空腔。陰極接頭和陽極均安裝在此腔內(nèi)，它包括高壓電饋電裝置和電子束傳輸透鏡(即上聚焦)。中間腔在陰極腔和板式閥之間。

板式閥 在偏轉(zhuǎn)腔和中間腔之間有一個板式閥，它用于在需要保養(yǎng)時對電子槍和熔煉室各自單獨通氣，并對腔體進行單獨抽空，以已形成不同的基本壓力。在陰極腔和中間腔與熔煉室之間起到隔離真空壓力的作用。

偏轉(zhuǎn)腔 用于工藝位置上的電子束進行靜態(tài)和動態(tài)偏轉(zhuǎn)。它包括偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和電子束調(diào)節(jié)透鏡2(即下聚焦)。偏轉(zhuǎn)腔和熔煉室是連通的。

腔蓋 腔蓋用于固定、移動和冷卻陰極接頭，并組成可調(diào)陰極，它可以翻轉(zhuǎn)。俗稱為陰極頭。

流阻 兩個流阻用于保證腔體之間有效的壓力隔離。它們分別位于透鏡1和透鏡2區(qū)域內(nèi)，采用水冷卻。它們將電子束包圍住，即使在運行條件不利的情況下，也能最大程度降低電子束的能量損失。

溫度感應(yīng)器 三個小型溫度感應(yīng)器用于測量整個槍體的溫度差。溫度感應(yīng)器通過升高的溫度確定電子束在兩個透鏡上的聚焦?fàn)顟B(tài)，冷卻水溫度升高，流過流阻，感應(yīng)器可發(fā)出信號關(guān)閉電子束，避免槍體被擊穿。

EH800V型熱陰極電子槍發(fā)射電子束的原理：陰極金屬絲被加熱，發(fā)射出的電子轟擊實心陰極并將其加熱到電子束發(fā)射的溫度。達(dá)到此溫度后，實心陰極發(fā)射出會聚束電子，在強大的電磁場作用下，會聚束電子加速運動至陽極。電子束穿過陽極孔到達(dá)透鏡1(電子束傳輸透鏡)，無能量損失。通過調(diào)整透鏡1電流，可以改變電子槍內(nèi)部電子束的聚焦?fàn)顟B(tài)。透鏡2(電子束調(diào)節(jié)透鏡)用于調(diào)節(jié)熔煉室內(nèi)所需要的電子束功率密度。穿過透鏡2之后，電子束進入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)，電子束按照工藝要求產(chǎn)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)角度。

GGF450型冷陰極電子槍發(fā)射電子束的構(gòu)造和原理

GGF450型冷陰極電子槍直熱式，因為它在工作時需要充入氣體，也稱為氣體放電式電子槍。因為它是直熱式，不需要間接加熱，所以它的構(gòu)造沒有EH800V型熱陰極電子槍復(fù)雜，它的構(gòu)造圖比較簡單，如圖2所示。

陰極裝置 陰極裝置包括陰極，陰極冷卻水管，高壓電饋電接口等安裝在一起，整個可以拆下來，更換陰極，俗稱為陰極頭。陰極為鋁合金的實心陰極，體積比EH800V型熱陰極電子槍的實心陰極大的多。

陽極裝置 GGF450型冷陰極電子槍的陽極跟EH800V型熱陰極電子槍相比，造型相似，但體積比較大，有自己獨立的冷卻水路，直接安裝在電子束導(dǎo)管上。

真空系統(tǒng) 在陰陽極之間有一管路連接有真空管閥及真空計，測量電子槍真空度。此電子槍和熔煉室共用一套真空系統(tǒng)，不對槍體進行單獨抽空。對電子槍保養(yǎng)時，需要整個熔煉爐破除真空以后才能進行。

聚焦和掃描(偏轉(zhuǎn))系統(tǒng) 上下2個聚焦線圈和1個偏轉(zhuǎn)線圈安裝在電子束導(dǎo)管(相當(dāng)于阻流器)，實現(xiàn)對電子束的傳輸、調(diào)節(jié)和掃描的控制。

GGF450型冷陰極電子槍發(fā)射電子束的原理：啟動電子槍時，通入工作氣體——高純氫氣，氫氣在直流高壓下發(fā)生輝光放電，在輝光放電條件下產(chǎn)生的等離子體發(fā)射通過陰極電位降區(qū)域的電場加速、轟擊鋁合金陰極，不斷轟擊達(dá)到最小逸出功時，金屬電子就會克服金屬表面對它的束縛力，從陰極表面逸出，產(chǎn)生二次電子，在兩極電場的加速作用下，形成了一個通過陽極中間的孔傳人聚焦和掃描系統(tǒng)的會聚的電子束。通過第一個聚焦線圈的磁場形成一個近似圓柱的電子束，沒有功率量損耗。然后，通過第二個聚焦線圈的磁場改變電子束直射受熱面積。通過偏轉(zhuǎn)線圈進行特定工藝的電子書掃描。

在操作鋁合金冷陰極電子束槍的過程中，當(dāng)氫氣流量足夠大、陰極達(dá)到一定溫度后，電流很難提升時，為電子槍槍室提供混合工作氣體(按一定比例混合氫氣和氧氣)，氧氣離子在電場中加速，轟擊陰極，起到清潔陰極表面的作用，從而提升電流。

兩種電子槍真空系統(tǒng)對比

電子槍在啟動、工作過程中，整個槍體內(nèi)都必須處于真空狀態(tài)、，但是這兩種槍形成真空狀態(tài)的方式卻截然不同。

EH800V型熱陰極電子槍真空系統(tǒng)

EH800V型熱陰極電子槍是一個封閉式的電器工作空間。鎢陰極必須由鎢絲加熱才能逸出電子束，不能受殘余氣體離子的影響，即防止輝光放電現(xiàn)象。此電子槍有兩個腔室組成，分別抽空，包括陰極室和中間室擴散泵，以及它們共用的粗抽真空和維持泵。

陰極腔和中間腔分別抽真空，達(dá)到并保持穩(wěn)定后：熔煉室：Pr＜5 Pa；陰極腔室：Pk＜10-5Pa；中間腔室：Pz＜10-4Pa，使高壓電設(shè)備進入發(fā)射狀態(tài)，并一直保持到熔煉結(jié)束。

GGF450型冷陰極電子槍真空系統(tǒng)

GGF450型冷陰極電子槍不是一個封閉式的電器工作空間，它和熔煉室是直通的，和整個熔煉爐共用一套抽空泵組。啟動時需要產(chǎn)生輝光放電，因此它的真空度要求不是很高，達(dá)到低真空(1.3 Pa以上)就可以，并一直保持到熔煉結(jié)束。

兩種電子槍電源系統(tǒng)對比

EH800V型熱陰極電子槍電源

EH800V型熱陰極電子槍有三個電源：

(1) 陰極金屬絲加熱電源，單相交流電源，電壓為10 V。

(2) 實心陰極加熱(轟擊)電源，直流電源，電壓為14 kV，正極接在陰極上，負(fù)極接在陰極金屬絲上。

(3) 電子束射束(電子束加速)電源，也稱主電源，是直流高壓電源，電壓為50 kV，采用負(fù)高壓接法，輸出端的負(fù)極接在陰極上，正極接在陽極上，為了安全，陽極和結(jié)晶器接地線上。

GGF450型冷陰極電子槍電源

GGF450型冷陰極電子槍陰極不需要間接加熱，所以只有一個電壓為30 kV的直流高壓主電源，來完成輝光放電、轟擊鋁合金陰極和電子束加速，也采用負(fù)高壓接法(通過逆變升壓變壓器獲得)，輸出端的負(fù)極接在陰極上，正極接在陽極上。為了安全，陽極和結(jié)晶器接地線上。

影響兩種電子束電流的因素對比

由于電子束是陰極發(fā)射熱電子而形成的，故加熱溫度的高低對電子發(fā)射影響很大。另外，陰極材料不同，電子逸出功的大小也不同，因此電子逸出功對電子發(fā)射也有影響。對于確定的陰極材料，當(dāng)溫度一定時，陰極單位面積上發(fā)射的電流達(dá)到一定值后就處于飽和狀態(tài)，即電流密度達(dá)到最大值，這個最大值稱為飽和電流密度。飽和電流密度與陰極加熱溫度和電子逸出功有關(guān)，加熱溫度高，電子逸出功小，飽和電流密度就大。理想的陰極材料是電子逸出功小而工作溫度高。鎢電子逸出功是4.52 eV，熔點為3380 ℃；鋁電子逸出功是4.2 eV，雖然鋁的熔點為660 ℃，但是GGF450型冷陰極電子槍陰極直接用冷卻水冷卻，也能承受高溫，而且鋁陰極廉價。

電子槍工作時，如果發(fā)射的電子束的電流密度沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，這時的的電流密度與電壓的3/2次方成正比關(guān)系。當(dāng)發(fā)射電流密度沒有達(dá)到飽和狀態(tài)時，電子槍的陰極發(fā)射電流I與陰陽極間電壓U的3/2次方成正比，導(dǎo)流系數(shù)K是與陰極的曲率半徑和陰陽極之間的幾何形狀有關(guān)的系數(shù)，一般來說，陰極球面的曲率半徑大，陰陽極之間的距離小，K值大，因而電流也大。導(dǎo)流系數(shù)是衡量電子槍性能的重要參數(shù)，它能反映出電子槍的設(shè)計水平和性能好壞。

EH800V型熱陰極電子槍和GGF450型冷陰極電子槍陰極曲率半徑和陰陽極之間的距離如表所示：

表1 EH800V型熱陰極電子槍和GGF450型冷陰極電子槍相關(guān)參數(shù)

GGF450型冷陰極電子槍陰極曲率半徑比EH800V型熱陰極電子槍大的多，但EH800V型熱陰極電子槍陰陽極之間的距離可以通過可調(diào)陰極進行調(diào)節(jié)。兩種槍實際照片如圖3所示。

綜上所述，兩種電子槍電子束電流密度有以下特點：

(1) 陰極材料的電子逸出功愈小，電流密度愈大，GGF450型冷陰極電子槍鋁合金陰極逸出功愈較??；

(2) 陰極材料的加熱溫度愈高，電流密度愈大，雖然兩種槍陰極都在加熱，但是EH800V型熱陰極電子槍是間接加熱，加熱溫度恒定，陰極溫度更高，相對來說電流密度更大；

(3) 電流密度與電壓的3/2次方成正比，電壓升高，電流增大，EH800V型熱陰極電子槍電壓更高一些；

圖3 EH800V型熱陰極電子槍和GGF450型冷陰極電子槍陰極

(4) 陰極與陽極的幾何形狀和相對位置，都是影響導(dǎo)流系數(shù)的因素，導(dǎo)流系數(shù)愈大，電流密度也愈大。GGF450型冷陰極電子槍鋁合金陰極曲率半徑比EH800V型熱陰極電子槍大的多，但EH800V型熱陰極電子槍陰陽極之間的距離可以通過可調(diào)陰極進行調(diào)節(jié)，因此它們的導(dǎo)流系數(shù)各有所長。

兩種電子槍的功率對比

電子槍的輸出功率，等于電子束的加速電壓和電子束電流兩者的乘積。導(dǎo)流系數(shù)是評價電子槍設(shè)計與加工品質(zhì)的重要參數(shù)，表明了電子槍施加某一加速電壓時所獲得的電子束電流和功率值。

EH800V型熱陰極電子槍功率

電子束的功率可以通過以下3個參數(shù)中的一個進行修改，其他2個參數(shù)保持不變。

(1) 加速電壓(最高為55 kV)

(2) 實心陰極的溫度(高達(dá)2600 ℃左右)

(3) 陰極與陽極之間的間距(功率10%~20%之間調(diào)整)

GGF450型冷陰極電子槍功率

電子束的功率可以通過以下3個參數(shù)進行修改。不過電壓為最高，電流升高時，水溫也會升高，超過560 ℃時，要想辦法往下降，以免燒壞陰極。一般電子槍穩(wěn)定時，只改變電流。

(1) 加速電壓(最高為30 kV)

(2) 電流(調(diào)整通入的混合工作氣體，最高為15 A，一般到達(dá)不了，危險且難以控制)

(3) 陰極的冷卻水溫度(調(diào)節(jié)陰極溫度，最高為50 ℃左右)

兩種電子槍運行的穩(wěn)定性對比

EH800V型熱陰極電子槍穩(wěn)定性

(1) 陰極間接加熱，加熱溫度恒定，陰極發(fā)射電子更穩(wěn)定；

(2) 電子槍有獨立的抽空系統(tǒng)，而且陰極腔和中間腔分別抽真空，因此電子槍真空度不受熔煉室的真空度及影響；

(3) 陰極陰極球面的曲率半徑小，受熔煉室中揮發(fā)物和噴濺物的影響相對較?。?/p>

(4) 電子槍裝有三個小型溫度感應(yīng)器和觀察孔，測量整個槍體的溫度差，而且通過觀察孔可以觀察到電子束。，冷卻水溫度升高，流過流阻，感應(yīng)器可發(fā)出信號關(guān)閉電子束，避免了被擊穿，保證了電子束槍穩(wěn)定運行。

GGF450型冷陰極電子槍穩(wěn)定性

(1) 陰極直接加熱，只是用冷卻水調(diào)節(jié)陰極溫度，加熱溫度不穩(wěn)定，陰極發(fā)射的電子也不穩(wěn)定；

(2) 電子槍沒有獨立的抽空系統(tǒng)，因此電子槍真空度受熔煉室及其他部件的真空度影響，會影響電子槍的平穩(wěn)運行；

(3) 陰極球面的曲率半徑大，很容易受熔煉室中揮發(fā)物和噴濺物的影響；

(4) 電子槍沒有溫度感應(yīng)器和觀察孔，只能流出的冷卻水的溫度判斷槍體各個部件的運行溫度，尤其是電子束導(dǎo)管，操作不當(dāng)或觀察不仔細(xì)，很容易被擊穿，中斷熔煉。

兩種電子槍維護周期對比

電子槍維護周期主要是指運行一段時間后，槍體內(nèi)由于氧化、受揮發(fā)物和噴濺物等的影響，需要清理維護，還有陰極使用壽命到期后更換。具體如2表所示：

表2 EH800V型熱陰極電子槍和GGF450型冷陰極電子槍維護周期

EH800V型熱陰極電子槍400~600 h的維護周期，主要是板式閥和與熔煉室之間是直接連通的，密封、閥板等很容易受揮發(fā)物和噴濺物等的污染，必須定時進行清理。

GGF450型冷陰極電子槍100~150 h的維護周期，主要是由于氧化和受揮發(fā)物和噴濺物等的污染，需要用砂紙打磨清理，清理安裝之后繼續(xù)熔煉，它的厚度如表1和圖4所示，有40 mm較厚，因此陰極使用壽命較長。

兩種電子槍生產(chǎn)的鈦錠質(zhì)量對比

采用工業(yè)純海綿鈦進行熔煉，3150kWB MO-01和4800 kWB MO-02型兩臺EB經(jīng)GGF450型冷陰極電子槍和EH800V型熱陰極電子槍一次熔煉各生產(chǎn)兩塊鈦鑄錠，生產(chǎn)的鈦錠牌號都是TA1，將生產(chǎn)的鈦錠稱為GGF450型冷陰極電子槍生產(chǎn)鈦錠和EH800V型熱陰極電子槍生產(chǎn)鈦錠，以便于區(qū)分。

表3 EH800V型熱陰極電子槍生產(chǎn)鈦錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表4 GGF450型冷陰極電子槍生產(chǎn)鈦錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

化學(xué)成分對比

2個鑄錠熔煉化學(xué)成分，下面分別列表加以比較。鈦錠分別取錠頭、中間部位和錠尾取樣分析。

通過以上2個表的對比，EH800V型熱陰極電子槍穩(wěn)定性好，生產(chǎn)的鈦錠化學(xué)成分比較均勻；而GGF450型冷陰極電子槍容易受陰極溫度、真空度、揮發(fā)物和噴濺物的影響，電流變化較大，鈦液的流動性很容易受影響，因此化學(xué)成分變化較大。

表面質(zhì)量及金相組織對比

◆ 表面質(zhì)量

鑄錠的表面質(zhì)量和熔化速度、功率、拉錠速度有關(guān)，鑄錠的表面缺陷主要有：冷隔、瘤疤、皮下氣孔等。通過超聲波探測發(fā)現(xiàn)，EH800V型熱陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠表面質(zhì)量比GGF450型冷陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠要好，表面缺陷較少，這是因為EH800V型熱陰極電子槍功率大而且穩(wěn)定，熔化速度和拉錠速度均勻，沒有出現(xiàn)金屬鈦液斷流或忽大忽小現(xiàn)象。

◆ 金相組織對比

圖4和圖5是EH800V型熱陰極電子槍和GGF450型冷陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠經(jīng)橫向開，經(jīng)過磨光腐蝕后得到的低倍照片。

從兩張鈦錠低倍照片可以看出，EH800V型熱陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠和GGF450型冷陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠都有較大的等軸晶區(qū)，且和柱狀晶區(qū)共存，但是EH800V型熱陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠金相組織更為均勻一些，而GGF450型冷陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠較多、較大的等軸晶較多，柱狀晶區(qū)不是很明顯。這是因為兩種電子槍在凝固期間是以自然對流的方式流入結(jié)晶器內(nèi)，結(jié)晶器附近熔體受到強烈的激冷作用而形成大量形核，形成無方向性的表面等軸晶組織，晶?；ハ噙B接而構(gòu)成溫度低凝固殼層，凝固轉(zhuǎn)為柱狀晶由外向里的生長，表面激冷晶粒不再發(fā)展，EH800V型熱陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠較大，而GGF450型冷陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠較小，更有利于冷卻有關(guān)。

圖4 EH800V型熱陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠低倍照片

圖5 GGF450型冷陰極電子槍生產(chǎn)的鈦錠低倍照片

結(jié)論

(1) EH800V型熱陰極電子槍陰極間接加熱，加熱溫度恒定、有獨立的抽空系統(tǒng)、陰極球面的曲率半徑小受揮發(fā)物和噴濺物的影響相對較小，因此電子槍運行更穩(wěn)定；電子束的功率可以通過加速電壓、實心陰極的溫度、陰極與陽極之間的間距三個參數(shù)進行調(diào)整；另外，裝有觀察孔和三個小型溫度感應(yīng)器，和測量整個槍體的溫度差，感應(yīng)器可發(fā)出信號關(guān)閉電子束，避免了槍體被擊穿。

(2) GGF450型冷陰極電子槍使用鋁合金陰極、體積相對較小、只使用一個電源、不需要間接加熱和抽真空、因此造價更經(jīng)濟；另外，具有工作真空度較低、能耗低，鋁合金陰極陰極逸出功小、曲率半徑大、導(dǎo)流系數(shù)大和使用壽命較長等優(yōu)點。

(3) EH800V型熱陰極電子槍穩(wěn)定性好，生產(chǎn)的鈦錠化學(xué)成分和金相組織比較均勻一些。

(4) 實現(xiàn)大功率電子槍國產(chǎn)化，可在這兩種電子槍的基礎(chǔ)上，取長補短，相信會制造出更加經(jīng)濟完美的大功率電子槍。

[1] B.E .Paton, M.P.Trygub, S.V.Akhonin. Electron Beam Melting of Titanium, Zirconium and Their Alloys. Beijing: China Machine Press，2014:133

[2] 馬宏聲. 鈦及難熔金屬真空熔煉. 長沙：中南大學(xué)出版社，2010:106

[3] 莫畏. 鈦. 北京：冶金工業(yè)出版社，2008: 371