王昭漫 黃安國 桑興華 胡仁志 許可

摘要：針對目前主流熱發(fā)射電子槍普遍存在的外加電流產生磁場從而影響熱電子的問題，提出了激光加熱陰極模式。該加熱模式可有效消除磁場的影響，從而提高束流品質及陰極壽命。基于Q60-A電子束設備，通過仿真研究與實驗驗證，對激光加熱陰極及電子運動過程進行系統分析，確定了激光器選型方案和束源部件結構優(yōu)化方案。結果表明，推薦激光波長為1 064 nm，陰極工作溫度為2 650 K，陰極達到工作溫度所需激光功率為377 W，維持陰極工作溫度基本穩(wěn)定的臨界功率為160 W，設計優(yōu)化了新束源部件結構尺寸，當陰陽極間距離18 mm、陽極孔徑10 mm、柵極球面半徑20 mm時，電子束流品質理想，并通過實驗驗證了仿真結果的準確性及激光器選型的合理性。本研究為激光加熱陰極式電子槍的系統化設計及工程化應用提供了參考依據和有益指導。

關鍵詞：熱發(fā)射電子槍;激光;陰極;束源部件;仿真模擬

中圖分類號：TG439.4? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0014-08

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.03

0? ? 前言

電子束優(yōu)良的特性[1]使得電子束加工應用越來越廣泛[2-3]，電子槍作為電子束加工設備最核心的部件，其性能對電子束加工效果有著關鍵影響。但傳統熱發(fā)射電子槍普遍存在著外加電流產生磁場從而影響熱電子的問題[4-5]，并且這種影響無法通過自身優(yōu)化來消除，極大地限制了電子槍性能的進一步提升。

考慮到激光的加熱特性，可通過激光束直接照射對陰極進行加熱，由于沒有外加電流，可有效避免磁場的影響;此外，通過激光遠程發(fā)射，可去除傳統加熱相關部件，簡化電子槍結構，并且激光光子的粒子性較弱，不對陰極造成轟擊，從而大幅提升陰極壽命。隨著激光技術的快速發(fā)展[6]，激光源體積越來越小、功率越來越大、成本越來越低，使得采用激光作為加熱陰極的熱源成為可能。

目前關于激光加熱陰極模式的系統化設計及工程應用方面研究較少，文中對激光加熱陰極過程進行系統分析，確定激光波長、激光功率的選型設計及激光加熱方式，分析電子槍內空間電場及束流軌跡，對束源部件結構進行優(yōu)化設計。

1 總體設計思路

基于中國航空制造技術研究院自研的Q60-A電子束焊接設備，將其直熱式燈絲加熱方式改為激光加熱片狀陰極方式，將電子槍原燈絲加熱相關部件移除，并在其上部添加激光器，電子槍下部及真空室等其他設備保持不變，激光器與電子槍集成示意如圖1a所示，工作原理如圖1b所示。

電子槍工作時，激光器的性能決定了陰極發(fā)射電流的品質，從而對整個電子槍的性能及加工效果產生重要影響，故通過系統分析激光加熱陰極過程，確定激光波長、激光功率的選型設計，并分析激光器不同的工作階段，確定工作時的加熱方式。

電子槍內部結構復雜，改變加熱方式不僅會影響陰極的電子發(fā)射性能，也會影響束源部件的使用性能。為適應全新的加熱方式，文中探究了束源部件結構尺寸對電子槍內空間電場分布及束流軌跡的影響，從而對束源部件結構尺寸進行優(yōu)化設計。

2 激光器選型設計

2.1 陰極溫度場分析

Q60-A電子束設備采用鎢作為陰極發(fā)射電子（鎢的熔點高，逸出功低，工作溫度2 300～2 800 K），根據其陰極尺寸及夾持形狀，利用Pro/E建立陰極三維模型，其中鎢陰極直徑3 mm，厚度1 mm。將三維模型導入仿真軟件COMSOL中，添加固體傳熱模塊，設置各結構材料物性參數，并設置模擬環(huán)境為真空，環(huán)境溫度為300 K，各結構初始表面溫度與環(huán)境溫度一致，加熱過程中的總熱散失率為55%。設定激光功率變化范圍為250～500 W，同時為使得陰極較快達到工作溫度，加熱時間設定為1 s。

網格劃分采用自由四面體網格，將整體網格單元細化，并對陰極附近網格進行了局部加密，最后建立瞬態(tài)研究，利用有限元方法對鎢陰極溫度場進行求解，模擬結果如圖2所示。

通過后處理模塊，獲取不同激光功率下陰極模擬溫度，得到激光加熱功率與陰極溫度關系曲線如圖3所示。隨著激光功率從250 W增加到500 W，其對鎢陰極的熱輸入也不斷增加，鎢陰極溫度從2 020 K增加到3 040 K，且基本呈線性增加趨勢，為后續(xù)研究激光器選型提供了重要的參考依據。

2.2 激光器選型設計

2.2.1 激光波長選型

激光對材料的輻照過程的本質是激光與材料之間的相互作用，涉及光學、熱學和力學等多學科的交叉耦合[7]，確定材料對激光的吸收率是最關鍵的部分。

影響金屬對激光吸收率的主要因素有激光波長、金屬導電性能、金屬表面狀態(tài)、溫度等[8]。本研究中，在鎢陰極材料形狀已經確定的情況下，激光波長成為影響金屬對激光吸收率的決定因素。

西安交通大學的嚴深平等人[9]測量了常用金屬材料的激光吸收率，結果顯示，鎢板（純度≥99%）對波長1 064 nm的激光吸收率為47%，對532 nm波長的激光吸收率為59%。雖然鎢板對波長532 nm的激光吸收率高于1 064 nm，但相差不大。同時，由于目前短波長激光器的技術尚未成熟，且成本較高，而本研究激光僅作為加熱源對陰極進行加熱，綜合考慮激光吸收率、技術成熟度、成本和體積，推薦激光波長為1 064 nm。

2.2.2 激光功率選型

電子槍工作時，不同的激光功率對應著不同的陰極溫度，而不同的陰極溫度又對應著不同的電流發(fā)射密度。根據Q60-A電子束設備設計參數，陰極發(fā)射額定功率P=7.2 kW，工作電壓U=60 kV，可計算出陰極發(fā)射電流I=P/U=0.12 A。

所研究鎢陰極半徑為1.5 mm，考慮到實際工作時陰極受熱不均，其邊緣部分發(fā)射電子的能力有所下降，故取有效發(fā)射面積半徑為1.4 mm，可計算出陰極電流發(fā)射密度J=1.948 836 A/cm2。

在熱發(fā)射陰極中，隨著溫度的升高，電子所具有的能量也增加，從而越來越多具有足夠能量的電子從陰極表面逸出[10]，陰極發(fā)射電流密度與陰極工作溫度的經典關系式為[11]

式中 A為普適發(fā)射常數，A=120.4 A/（cm·K）2;K為玻爾茲曼常數，K=1.38×10-23 J/K;φ為陰極材料的逸出功，文中為4.54 eV。

當陰極發(fā)射電流密度J=1.948 836 A/cm2時，陰極工作溫度T=2 640 K，實際工作情況較為復雜，故考慮一定裕值，取T=2 650 K進行后續(xù)分析。再由前期得到的激光加熱功率與陰極溫度關系曲線可以看出，當加熱時間為1 s時，陰極達到工作溫度2 650 K所需激光功率為377 W。

2.3 激光加熱方式設計

在實際工作過程中，電子槍經常需要長時間連續(xù)焊接，這就要求陰極溫度能較長時間穩(wěn)定在工作溫度微小范圍內，并持續(xù)發(fā)射電子，故可將激光器的工作過程分為兩個階段，先將陰極加熱到工作溫度，再維持陰極工作溫度基本穩(wěn)定。

經前期分析可知，陰極的理想額定工作溫度為2 650 K，在額定工作溫度±30 K范圍內陰極各發(fā)射參數隨工作溫度的變化關系如圖4所示。可以看出，在該范圍內，發(fā)射參數普遍上升了64%，變化十分劇烈，為了使陰極發(fā)射性能盡量穩(wěn)定，其溫度波動需盡可能小。

但由于所研究陰極體積較小，其溫度隨時間變化極快，為簡化分析過程，在保證陰極發(fā)射性能滿足焊接需求的情況下，以陰極額定工作溫度±10 K范圍為一個周期作為研究對象，此時陰極發(fā)射功率波動范圍為15%，如圖4虛線框內所標注區(qū)域。

首先研究陰極在該周期內的降溫過程。利用COMSOL軟件模擬激光將陰極加熱到2 660 K后停止加熱的結果如圖5所示。可以看出，當時間為0.006 s時，陰極溫度為2 640 K，即一個研究周期時間長度為0.006 s。

其次研究陰極在該周期內的加熱過程，在一個周期內，為使激光的熱輸入與陰極的熱散失達到平衡，激光需以某臨界功率將陰極從2 640 K加熱至2 660 K，該過程陰極所需吸收熱量為

式中 c為比熱容，c=130 J/（kg·K）;m為陰極質量，m=1.37×10-4 kg;ΔT為溫度變化，ΔT=20 K。

計算得到在理想情況下，陰極所需吸收熱量ΔQ1=0.356 2 J，考慮鎢陰極對激光吸收率為37%，得到陰極理論所需吸收總熱量ΔQ2=0.962 7 J，一個周期的時間t=0.006 s，可計算得到臨界加熱功率P=ΔQ2/t=160 W。

綜上所述，電子槍工作時，激光器先以額定功率377 W對陰極進行加熱，1 s后陰極達到工作溫度2 650 K，再將激光器調整至臨界功率160 W對陰極進行加熱，激光加熱時間如圖6所示。

3 束源部件結構優(yōu)化設計

3.1 三維模型建立

電子槍內部涉及多個部件，文中主要研究受加熱方式改變影響較大的部件，即陰極、柵極、陽極的結構優(yōu)化，而對其他已經成熟、穩(wěn)定使用，或受加熱方式改變影響較小的部件的結構尺寸不做改動?；赒60-A電子束設備，利用三維造型軟件Pro/E建立陰極、柵極、陽極1∶1模型，并按照其原有組合方式進行裝配。在各結構尺寸中，對束流品質影響最為顯著的有陰極直徑d、陰陽極距離h、陽極孔徑r、柵極球面半徑R，如圖7所示。

3.2 空間電場及束流軌跡分析

3.2.1 空間電場分布模擬

將建立好的束源部件三維模型導入COMSOL仿真軟件中，添加靜電模塊，設置域內為真空環(huán)境，且保持電荷守恒，設置陰極電勢為-60 000 V，陽極電勢為0 V，柵極電勢為-60 000 V，同時設置各材料相對介電常數為1。

網格劃分后，建立穩(wěn)態(tài)研究，利用有限元求解器進行計算，得到電子槍內部空間電場分布模擬結果如圖8所示。由圖8a可知，空間電勢分布線由陽極（高電位）向陰極（低電位）彎曲，同時從陰極到陽極，電位沿中心軸從-60 000 V逐漸增加到0 V，在陽極表面達到0 V。由圖8b可知，從外圍到中心軸，陽極表面的電勢逐漸增加，最終達到0 V，這使得電子在電場作用下向中心軸移動，并沿著中心軸產生焦點位置。

3.2.2 束流軌跡模擬

在前期空間電場模擬的基礎上，添加帶電粒子追蹤模塊，設置粒子屬性為電子，電子在分析域內受電場的作用，指定陰極下表面為電子發(fā)射面，設置發(fā)射方式為熱發(fā)射、表面溫度2 650 K、電子逸出功為4.54 eV、有效普適發(fā)射常數為120.4 A/（cm·K）2，由于模擬時間較長，為了減少仿真耗時，設置每次釋放電子數為500個。

網格劃分后，建立瞬態(tài)研究，利用有限元求解器進行計算，得到束流軌跡模擬結果如圖9所示?？梢钥闯?，從陰極逸出的電子在加速電場的作用下，通過陽極的發(fā)射孔向工件運動，電子在穿越陽極時速度達到1.45×108 m/s。同時，電子束在運動過程中，由于彎曲電場線的聚焦作用，從陰極出發(fā)的電子束逐漸匯聚，通過陽極孔后在中心軸的某個位置形成一個交叉點，稱為“ 注腰 ”，其形狀和位置由束源部件的幾何結構和電勢共同決定，此時電流密度達到最大。從束流軌跡橫截面放大圖可以看出，電子始終在近軸區(qū)運動，且關于軸線呈圓周對稱分布，束斑圓度較好，為后續(xù)核心部件的結構優(yōu)化打下了良好基礎。

3.3 束源部件結構優(yōu)化設計

束源部件的結構尺寸對電子槍內束流軌跡有著顯著影響，從而決定了電子束流品質。文中主要研究在激光加熱下，陰陽極間距離h、陽極孔徑r、柵極球面半徑R對束流軌跡的影響規(guī)律，對于束流品質，主要分析電子束的“ 注腰 ”半徑，“ 注腰 ”處的截面電流密度及電子束的層流性。

基于束流軌跡模擬結果，取中心截面束流進行二維繪圖，并將其橫坐標按比例擴大50倍，如圖10所示，圖中y負半軸指向陰極。通過模擬結果數據集可得到各電子與中軸線的距離，由于部分從陰極邊緣逸出的電子相對主流較為發(fā)散，取包含90%電子的主流截面半徑作為電子束流“ 注腰 ”半徑。

以陰陽極間距離h為單一變量進行仿真，當陰極與陽極距離過近，容易導致陽極與柵極的放電現象，當陰極與陽極距離過遠，會影響陽極下方其他部件的安裝。根據經驗，h的合適取值為15～20 mm，陽極孔徑r和柵極球面半徑R取現有值并保持不變，得到束流“ 注腰 ”半徑與束流截面電流密度如圖11所示?？梢钥闯?，束流“ 注腰 ”半徑先減小后增大，在h=18 mm處最小。

以陽極孔徑r為單一變量進行仿真，當陽極孔徑過小，束流難以穿過，并且容易發(fā)生干涉，當陽極孔徑過大，金屬蒸汽更容易進入陰陽極之間，污染束源部件，根據經驗r的合適取值為5～10 mm，陰陽極距離h=18 mm、R取現有值并保持不變，得到束流“ 注腰 ”半徑與束流截面電流密度如圖12所示?？梢钥闯觯鳌?注腰 ”半徑呈線性減小趨勢，在r=10 mm處最小。

以柵極球面半徑R為單一變量進行仿真，當柵極球面半徑過小，容易導致陽極與柵極的放電現象;當柵極球面半徑過大，會影響其他部件的安裝，根據經驗R的合適取值為20～25 mm，控制h=18 mm、r=10 mm保持不變，得到束流“ 注腰 ”半徑與束流截面電流密度如圖13所示?？梢钥闯?，束流“ 注腰 ”半徑先增大后減小，在R=20 mm處最小。

綜合以上模擬結果，設計優(yōu)化新束源部件結構尺寸如表1所示。采用優(yōu)化后的結構尺寸重新建模并進行電子空間分布狀態(tài)模擬，得到的束流“ 注腰 ”半徑為0.197 mm，與上述模擬結果一致。

同時在模擬結果中，將束流“ 注腰 ”位置進行局部放大，如圖14所示，可以看出電子在運動過程中，束流軌跡交叉程度較低，可見其層流性是理想的[12]，同時也說明新設計束源結構尺寸所得到的電子束流品質較為理想。

4 激光加熱陰極實驗驗證

為驗證模擬結果，進行了激光加熱陰極實驗。將鎢陰極置于鋁基板上，調整激光頭水平位置使其與鎢陰極同軸，調整激光頭離焦量，使激光照射在陰極上的光斑為3 mm，設置激光加熱時間為1 s，改變激光功率范圍為250～650 W對陰極進行加熱。用紅外熱成像儀實時測量鎢陰極表面溫度，用后處理軟件FLIR Tools分析測量數據，如圖15所示，將鎢陰極區(qū)域圈出，設置紅外輻射率為0.1～0.3，考慮到一定的系統誤差，選取圈內溫度最大值的0.9作為鎢陰極表面測量溫度。

利用COMSOL軟件對每一實驗參數進行了補充仿真，將仿真結果與實驗結果對比，并計算其仿真誤差E=（T仿-T實）/T實，得到不同激光功率下的陰極實驗測量溫度、仿真模擬溫度及仿真誤差結果如圖16所示?？梢钥闯?，仿真結果與實驗結果變化趨勢一致，且仿真誤差控制在10%以內，從而驗證了前期仿真結果是準確可信的，同時驗證了所選型激光器滿足設計使用要求。

5 結論

（1）采用激光加熱陰極模式可有效消除磁場的影響，基于Q60-A電子束設備，推薦激光波長為1 064 nm，陰極工作溫度為2 650 K，陰極達到工作溫度所需激光功率為377 W。

（2）電子槍工作時，為保證加熱效率并維持陰極工作溫度基本穩(wěn)定，激光器先以額定功率377 W加熱1 s后，陰極達到工作溫度2 650 K，再以臨界功率160 W對陰極進行加熱。

（3）空間電勢分布線由陽極（高電位）向陰極（低電位）彎曲;電子束在穿越陽極時，速度達到1.45×108 m/s，束流始終在近軸區(qū)運動且關于軸線呈圓周對稱分布，束斑圓度較好。

（4）束流注腰半徑隨著陰陽極間距離h的增加先減小后增大，隨著陽極孔徑r的增大線性減小，隨著柵極球面半徑R的增大先增大后減小，優(yōu)化新束源部件結構尺寸為h=18 mm、r=10 mm、R=20 mm，此時電子束軌跡交叉程度較低，層流性理想。

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