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

        2021-05-12 04:42:06董全林邵靜怡劉洋洋王軍偉裴一飛
        航天器環(huán)境工程 2021年2期
        關(guān)鍵詞:電子槍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)束流

        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(kāi)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(huì)垂直于材料表面逸出到真空環(huán)境中,此后受到電場(chǎng)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(chǎng)力實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束的匯聚,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作時(shí)無(wú)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(jí),對(duì)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(yáng)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(jí)聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)

        一級(jí)聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱一級(jí)聚焦系統(tǒng))包括高壓部分、三極電子槍和1 個(gè)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(jí),遠(yuǎn)小于大束流要求的0.1 mm 量級(jí)。陰極發(fā)射電子束在陽(yáng)極孔下端附近產(chǎn)生束腰(即電子束軌跡中第1 個(gè)最小橫截面的位置),陰極和陽(yáng)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(jí)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(jí)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(jí)聚焦系統(tǒng)仿真

        ABER 程序利用一階有限元法來(lái)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(jí)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(jí)聚焦系統(tǒng)性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of the single-lens focusing system

        圖 4 一級(jí)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(guò)Source 程序查看束流發(fā)射情況,如圖5 所示。

        圖 5 一級(jí)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(shí)束斑直徑為0.4 mm 的設(shè)計(jì)目標(biāo);并且束流經(jīng)過(guò)透鏡時(shí)已經(jīng)開(kāi)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(jí)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(jí)聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱二級(jí)聚焦系統(tǒng))。

        2 二級(jí)聚焦電子光學(xué)系統(tǒng)

        2.1 二級(jí)聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        二級(jí)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(jí)聚焦系統(tǒng),為了調(diào)整束斑大小和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將陽(yáng)極長(zhǎng)度增加到18 mm,并將聚光鏡數(shù)量由1 個(gè)增加為2 個(gè)。

        圖 6 二級(jí)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(jí)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(lì)參數(shù)NI=1361 A·T。

        2.2 二級(jí)聚焦系統(tǒng)仿真

        利用ABER 程序仿真得到上述二級(jí)聚焦系統(tǒng)光路如圖7 所示。

        由圖7 可知,該二級(jí)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(lì),CL2 調(diào)成強(qiáng)激勵(lì)。經(jīng)過(guò)迭代仿真,得到調(diào)整后的二級(jí)聚焦系統(tǒng)光路如圖8 所示。

        圖 7 二級(jí)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(jí)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(jí)聚焦系統(tǒng)的仿真結(jié)果顯示其二級(jí)聚光鏡的位置并不是最優(yōu)的,因此需要通過(guò)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(yǔ)

        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(jí)聚焦系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)在工作距離為300 mm 時(shí)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(jí)聚焦系統(tǒng)。對(duì)二級(jí)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(shuō)明的是,現(xiàn)設(shè)計(jì)中未考慮大電流情況下庫(kù)侖力對(duì)束斑質(zhì)量的影響,后續(xù)研究會(huì)將這部分影響加入到電子槍的初值設(shè)計(jì)中。

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