10 kV 太空電子槍的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真研究

陳 鶴，董全林*，邵靜怡，劉洋洋，王軍偉，裴一飛

（1. 北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

電子束焊接技術(shù)由于其能量密度高、焊縫深寬比大等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于太空焊接[1]?；旧纤须娮邮b備都離不開核心部件——電子槍[2]，電子槍的性能直接決定電子束性能的優(yōu)劣，而電子槍的性能取決于其電子光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[3]。

通常認(rèn)為材料表面電子在獲得足夠能量后會垂直于材料表面逸出到真空環(huán)境中，此后受到電場力的作用而改變方向。太空焊接用電子槍要將逸出的電子束進(jìn)行匯聚，必須采用聚焦系統(tǒng)[4-6]。目前，常用的電子聚焦方法有磁聚焦和靜電聚焦。磁聚焦系統(tǒng)主要應(yīng)用在電子顯微鏡、電子掃描探針等大型室內(nèi)分析型設(shè)備中，其優(yōu)點(diǎn)是易于滿足旁軸條件，不易出現(xiàn)高壓打火等現(xiàn)象；但是，此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、功耗大，安裝調(diào)試復(fù)雜。而靜電聚焦主要利用電場力實(shí)現(xiàn)對電子束的匯聚，結(jié)構(gòu)簡單、工作時無額外功耗[7-8]。

太空焊接用電子槍的電子束半徑在0.1 mm 量級，對聚焦系統(tǒng)的要求較高，綜合考慮功耗、體積和易控性等因素，以及聚焦系統(tǒng)與陰極發(fā)射系統(tǒng)和陽極靶的匹配后，通常選擇磁聚焦系統(tǒng)。本文將詳細(xì)介紹10 kV 太空電子槍光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及流程。

1 一級聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)

一級聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)（簡稱一級聚焦系統(tǒng)）包括高壓部分、三極電子槍和1 個聚光鏡，電子槍陰極材料選用六硼化鑭（LaB6），系統(tǒng)已知的性能參數(shù)和設(shè)計(jì)目標(biāo)如表1 所示。經(jīng)計(jì)算，電子衍射效應(yīng)產(chǎn)生的束斑直徑極限在0.1 nm 量級，遠(yuǎn)小于大束流要求的0.1 mm 量級。陰極發(fā)射電子束在陽極孔下端附近產(chǎn)生束腰（即電子束軌跡中第1 個最小橫截面的位置），陰極和陽極軸上距離約為6.6 mm。

1.1 電子槍參數(shù)計(jì)算

考慮陰極壽命、加熱溫度以及發(fā)射束流等因

表 2 鎢與LaB6 陰極電子槍參數(shù)Table 2 Parameters of tungsten and LaB6 cathode electron guns

圖 1 實(shí)際使用的鎢陰極結(jié)構(gòu)Fig. 1 The actual tungsten cathode structure

電子槍結(jié)構(gòu)及其電子束軌跡如圖2 所示。

圖 2 電子槍結(jié)構(gòu)及其電子束軌跡示意Fig. 2 Schematic diagram of the structure of electron gun and its electron beam trajectory

1.2 聚焦線圈參數(shù)計(jì)算

一級聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示，其中：陰極端面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，束腰在距O點(diǎn)11 mm處，聚光鏡中心線距O點(diǎn)285 mm；S為極靴間隙；D為極靴孔直徑；假設(shè)工作平面距聚光鏡下端面300 mm，即工作距離為300 mm。

圖 3 一級聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig. 3 Schematic diagram of the single-lens focusing system

由聚光鏡像距b=315 mm，物面交叉斑直徑h1=0.3 mm，像面束斑直徑h2=0.4 mm，可根據(jù)牛頓光學(xué)公式

計(jì)算得到聚光鏡物距a=236.25 mm。

繼而可根據(jù)焦距公式

計(jì)算得到聚光鏡焦距f1=135 mm。

1.3 一級聚焦系統(tǒng)仿真

ABER 程序利用一階有限元法來計(jì)算光路圖，可以涵蓋聚光鏡以及偏轉(zhuǎn)器的光路仿真。根據(jù)此程序進(jìn)行計(jì)算，可得到一級聚焦系統(tǒng)性能參數(shù)的仿真結(jié)果如表3 所示，光路如圖4 所示。

表 3 一級聚焦系統(tǒng)性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of the single-lens focusing system

圖 4 一級聚焦系統(tǒng)光路圖Fig. 4 Optical path of the single-lens focusing system

圖4 中：Yp表示的是模擬軸上電子束的出射軌跡，Xp和Rp是不同電子束的出射軌跡；縱坐標(biāo)表示電子束的徑向位置。

為確保電子槍可以產(chǎn)生足夠的束流，可通過Source 程序查看束流發(fā)射情況，如圖5 所示。

圖 5 一級聚焦系統(tǒng)電子軌跡圖Fig. 5 Electron trajectory map of the single-lens focusing system

根據(jù)計(jì)算結(jié)果及圖5 可以看出，聚光鏡焦距僅有135 mm，并不能實(shí)現(xiàn)在工作距離為300 mm 時束斑直徑為0.4 mm 的設(shè)計(jì)目標(biāo)；并且束流經(jīng)過透鏡時已經(jīng)開始發(fā)散，使得束流的能量損失較多。因此需在此聚光鏡前增加一級聚光鏡（下文稱新增聚光鏡為第一聚光鏡CL1，現(xiàn)有聚光鏡為第二聚光鏡CL2），成為二級聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)（簡稱二級聚焦系統(tǒng)）。

2 二級聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)

2.1 二級聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

二級聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6 所示，幾何參數(shù)如表4 所示。該系統(tǒng)較之一級聚焦系統(tǒng)，為了調(diào)整束斑大小和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將陽極長度增加到18 mm，并將聚光鏡數(shù)量由1 個增加為2 個。

圖 6 二級聚焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig. 6 Schematic diagram of the two-lens focusing system

表 4 二級聚焦系統(tǒng)幾何參數(shù)Table 4 Geometric parameters of the two-lens focusing system

由圖6 可知，根據(jù)實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)，CL1 的物距a、像距b與CL2 的物距c之和為定值；根據(jù)光學(xué)幾何關(guān)系，a、b、c與CL2 的像距d之間應(yīng)滿足如下關(guān)系：

■

于是，可計(jì)算出參數(shù)a、b、c的值如表5 所示。

表 5 CL1 位置選取參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculated results of position selection parameters for CL1

綜合考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)，選取a=55 mm、b=10 mm、c=55 mm 作為初值，則可據(jù)式(2)計(jì)算得到CL1 的焦距f1=8.46 mm。

計(jì)算得到線圈激勵參數(shù)NI=1361 A·T。

2.2 二級聚焦系統(tǒng)仿真

利用ABER 程序仿真得到上述二級聚焦系統(tǒng)光路如圖7 所示。

由圖7 可知，該二級聚焦系統(tǒng)不能保證電子槍束腰直徑為0.3 mm，為此需要重新調(diào)整，將CL1 調(diào)成弱激勵，CL2 調(diào)成強(qiáng)激勵。經(jīng)過迭代仿真，得到調(diào)整后的二級聚焦系統(tǒng)光路如圖8 所示。

圖 7 二級聚焦系統(tǒng)光路圖Fig. 7 Optical path of the two-lens focusing system

圖 8 調(diào)整后的二級聚焦系統(tǒng)光路圖Fig. 8 Optical path of the improved two-lens focusing system

3 電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

第2 章設(shè)計(jì)的二級聚焦系統(tǒng)的仿真結(jié)果顯示其二級聚光鏡的位置并不是最優(yōu)的，因此需要通過迭代仿真得出滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的最優(yōu)參數(shù)值，經(jīng)調(diào)試優(yōu)化后的電子光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)如表6所示。

表 6 優(yōu)化后的電子光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 6 Design parameters of optimized electronic optical system

由表6 可以看到，電子槍在保證電子束束流為300 mA 的情況下，電子槍束腰直徑的最優(yōu)解為0.282 mm，并未達(dá)到0.3 mm 的系統(tǒng)參數(shù)要求，但為了保證在300 mm 工作距離的像面上束斑直徑能達(dá)到0.4 mm，表6 中的參數(shù)已是最優(yōu)的結(jié)果。

4 結(jié)束語

綜上所述，為實(shí)現(xiàn)太空電子槍項(xiàng)目的設(shè)計(jì)目標(biāo)，根據(jù)前項(xiàng)工作中完成設(shè)計(jì)的電子槍結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，設(shè)計(jì)了聚焦系統(tǒng)，并進(jìn)行了光學(xué)計(jì)算及仿真分析。研究發(fā)現(xiàn)，一級聚焦系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)在工作距離為300 mm 時束斑直徑為0.4 mm 的設(shè)計(jì)目標(biāo)，繼而設(shè)計(jì)了二級聚焦系統(tǒng)。對二級聚焦系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行仿真分析表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)既定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

需說明的是，現(xiàn)設(shè)計(jì)中未考慮大電流情況下庫侖力對束斑質(zhì)量的影響，后續(xù)研究會將這部分影響加入到電子槍的初值設(shè)計(jì)中。