電子槍束源部件結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)束流品質(zhì)影響的CST仿真*

（中國航空制造技術(shù)研究院高能束流加工技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100024）

電子束焊接具有能量密度高、加熱面積小、焊接速度快、焊縫熱影響區(qū)窄、工件變形小等優(yōu)點(diǎn)，因此電子束焊接已得到廣泛應(yīng)用[1]。按照陰極加熱方式不同，電子束焊接設(shè)備的核心部件電子槍可分為直熱式和間熱式兩種，目前應(yīng)用比較廣泛的電子槍主要是直熱式。在直熱式電子槍中，對(duì)束流起匯聚作用的包括靜電匯聚和電磁聚焦兩部分。靜電部分由陰極、柵極和陽極組成，通常稱為靜電透鏡[2]。當(dāng)電子槍的陰極被加熱時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生大量的電子。自由電子從陰極表面發(fā)射出來時(shí)有較大的發(fā)射角度，并且由于電子之間存在互相排斥的力，不利于電子加速和進(jìn)一步聚焦[3]，此時(shí)陰極、柵極和陽極組成的靜電透鏡發(fā)揮作用，對(duì)電子進(jìn)行第一次聚焦。在電子槍其他參數(shù)不變的情況下，改變初次匯聚靜電場(chǎng)，電子束初次匯聚焦點(diǎn)處電流密度也隨之變化，這將導(dǎo)致在最終工作焦點(diǎn)處束流電流密度也隨之變化，從而影響束流品質(zhì)。因此，電子槍束源部分零件結(jié)構(gòu)直接影響電子槍的性能[4]。由于用于焊接的電子槍與其他用途電子槍幾何結(jié)構(gòu)差別較大，而有關(guān)電子槍的計(jì)算方法、選用公式還沒有一套完整、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),“類比”設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)定是檢驗(yàn)理論和最后定型的普遍方法[3,5]，但此種方法計(jì)算復(fù)雜，周期較長(zhǎng)，難以適應(yīng)目前電子槍技術(shù) 的發(fā)展。針對(duì)直熱式電子槍中靜電場(chǎng)以及電子運(yùn)動(dòng)軌跡難以用常規(guī)方法直接測(cè)量的問題，本文用CST軟件進(jìn)行模擬仿真來解決。首先利用建模軟件建立1∶1三維模型，將模型導(dǎo)入仿真軟件，在機(jī)械設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取束源部件結(jié)構(gòu)尺寸分別做單一變量進(jìn)行模擬。結(jié)合數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)源部件尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)過實(shí)際焊接試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了模擬結(jié)果的正確性。

仿真模型及參數(shù)設(shè)置

模擬仿真在電子槍設(shè)計(jì)和優(yōu)化中起著非常重要的作用[6]，這種方法既可以節(jié)省實(shí)際試驗(yàn)的成本，又可以節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間。本文所用的模擬軟件為CSTParticleStudio[7],是專門用于分析自由帶電粒子與電磁場(chǎng)自洽相互作用下相對(duì)論及非相對(duì)論運(yùn)動(dòng)的仿真[8-10]軟件包，特別適合于快速有效地設(shè)計(jì)和分析電子槍結(jié)構(gòu)。

1 三維模型的建立

利用三維造型軟件Pro/E,根據(jù)中國航空制造技術(shù)研究院自主研制的直熱式Q60-A電子槍建立束源部分關(guān)鍵部件模型：燈絲（陰極）、柵極、陽極以及聚焦線圈三維模型分別如圖1所示。

把上述模型導(dǎo)入CST軟件中，并按照實(shí)際尺寸放置以上部件，如圖2所示。燈絲、柵極、陽極、聚焦線圈沿電子束軸線位置從上到下依次放置。燈絲置于柵極中心開孔處，電子發(fā)射面與柵極中心開孔處頂面平行，陽極頂面與燈絲電子發(fā)射面距離為可變參數(shù)，聚焦線圈頂面距離燈絲電子發(fā)射面距離為H。

2 仿真基本參數(shù)設(shè)置

設(shè)置燈絲、陽極、柵極材料為理想導(dǎo)電導(dǎo)磁型材料PEC。設(shè)置background為真空，各向同性50mm，由于束流最終聚焦位置距離聚焦線圈較遠(yuǎn)，設(shè)置背景空間軸向最小值ymin=300mm。設(shè)置線圈匝數(shù)2000匝，聚焦電流0.6A。設(shè)置電勢(shì)、燈絲 -60000V，柵極 -60100V，陽極0V。定義邊界條件，y向磁場(chǎng)分量為0，由于在建立電子槍模型時(shí)未對(duì)其進(jìn)行其他屏蔽，Xmin、Xmax、Zmin、Zmax的邊界條件均設(shè)為open狀態(tài)[11]。網(wǎng)格劃分采用CAD設(shè)計(jì)中常用的自動(dòng)網(wǎng)格劃分和手動(dòng)對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密的方法，劃分形式FPBA。重點(diǎn)要加密部分為陰極、柵極和陽極附近的網(wǎng)格。定義粒子源，發(fā)射類型為溫度限制發(fā)射，陰極材料為鎢絲，燈絲加熱溫度設(shè)置為2700K，鎢逸出功4.54eV。由于模擬過程耗時(shí)較長(zhǎng)，為了減少仿真時(shí)間，故設(shè)置發(fā)射電子數(shù)90個(gè)。本文設(shè)置的可變參數(shù)陰陽極距離d、陽極孔徑r、柵極球面半徑R如圖3所示，在保證其他所有參數(shù)（如燈絲發(fā)射面積、柵極孔徑等）不變的情況下進(jìn)行模擬，每次控制單一變量。

模擬仿真結(jié)果

1 陰陽極距離為單一變量仿真結(jié)果

圖1 束源部分零件及聚焦線圈三維模型圖Fig.1 3D model of beam source component and focusing coil

圖2 模型放置示意圖Fig.2 Model placement

圖3 所選變量參數(shù)Fig.3 Selected parameters

圖4 模擬結(jié)果Fig.4 Simulation result

保持其余參數(shù)不變，以陰陽極距離d作為單一變量進(jìn)行第一組模擬試驗(yàn)，根據(jù)以往試驗(yàn)記錄發(fā)現(xiàn)d＜15mm時(shí)會(huì)導(dǎo)致陽極和柵極距離過近，易引起放電現(xiàn)象，d＞20mm時(shí)會(huì)影響陽極下方部件的安裝，故d取 15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm，6組 數(shù) 據(jù)，r=8mm，R=25mm。任意取其中一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此處以R=25mm，r=8mm，d=16mm為例得出完整的束流軌跡，如圖4（a）所示，陰陽極靜電匯聚束流注腰位置如圖4（b）所示，陰陽極之間靜電場(chǎng)分布如圖4（c）所示，此靜電場(chǎng)等電位線圖如圖4（d）所示。設(shè)燈絲電子發(fā)射面為原點(diǎn)，中心軸線上各點(diǎn)到此發(fā)射面的距離為L(zhǎng)，則此數(shù)據(jù)下電流密度與L關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5中X軸0點(diǎn)處為燈絲發(fā)射面?？梢钥闯?，在0～-650mm范圍內(nèi)，束流電流密度有先增大后減小再增大最后減小的趨勢(shì)，這是由于剛發(fā)射出的電子會(huì)受到靜電場(chǎng)的匯聚作用，所以電流密度增大，在通過陽極孔后某一位置束流匯聚成一個(gè)點(diǎn)，也就是注腰位置，此處電流密度達(dá)到最大。此后由于沒有加速電場(chǎng)，且受到空間電荷及真空室壓力等的影響，電子束以一定的角度發(fā)散飛向聚焦線圈，這個(gè)過程中束流電流密度不斷減小，通過聚焦線圈后，經(jīng)過磁場(chǎng)聚焦作用，電子束流又會(huì)匯聚成一點(diǎn)，也就是最終工作面處的焦點(diǎn)位置。圖5中焦點(diǎn)位置位于-422.72mm處，通過焦點(diǎn)后的電子束流由于慣性以及受到空間電荷力，呈發(fā)散趨勢(shì)，所以最后束流密度有所下降。R=25mm、r=8m,陰陽極距離d取不同值時(shí)焦點(diǎn)處電流密度如圖6所示。在d=15～20mm范圍內(nèi)時(shí)，陰陽極距離和焦點(diǎn)處電流密度曲線可見，焦點(diǎn)處電流密度隨著陰陽極距離增大，先增大后減小，在16mm處達(dá)到最大值，隨后越來越小。

2 陽極孔徑為單一變量試驗(yàn)結(jié)果

保持其余參數(shù)不變，以陽極孔徑r作為單一變量進(jìn)行第2組模擬試驗(yàn)，r根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取4mm、6mm、8mm、10mm、12mm 這 5組 數(shù) 據(jù)，d=16mm，R=25mm。焦點(diǎn)處電流密度如圖7所示，在r=4～12mm時(shí)，陽極孔徑和焦點(diǎn)處電流密度曲線可見，焦點(diǎn)處電流密度隨著陽極孔徑增大呈現(xiàn)接近線性增強(qiáng)的趨勢(shì)。

圖5 電流密度與L關(guān)系曲線Fig.5 Curve about current density and L

圖6 電流密度和陰陽極距離關(guān)系曲線Fig.6 Curve about current density and distance of cathode and anode

圖7 電流密度和陽極孔徑關(guān)系曲線Fig.7 Curve about current density and anode aperture

圖8 焦點(diǎn)處電流密度和柵極球面半徑關(guān)系曲線Fig.8 Curve about current density and grid radial

3 柵極球面半徑為單一變量試驗(yàn)結(jié)果

保持其余參數(shù)不變，以柵極球面半徑R作為單一變量進(jìn)行第3組模擬試驗(yàn)，根據(jù)以往試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)R＜20mm時(shí)會(huì)導(dǎo)致陽極和柵極距離過近，易引起放電，而受到機(jī)械設(shè)計(jì)的限制R＞26mm時(shí)會(huì)影響其他部件，故R取20mm、22mm、24mm、25mm、26mm這5組數(shù)據(jù)，d=16mm，r=8mm。，焦點(diǎn)處電流密度如圖8所示。在R=20～26mm時(shí)，柵極球面半徑和焦點(diǎn)處電流密度曲線可見，焦點(diǎn)處電流密度隨著柵極球面半徑的增大先減小后增大，然后趨于平緩，在20mm處達(dá)到最大值。

電子槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證試驗(yàn)

1 電子槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以上模擬結(jié)果，設(shè)計(jì)新柵極以及新陽極，柵極球面半徑20mm，陽極孔徑10mm，之所以不選擇模擬的最優(yōu)結(jié)果12mm是因?yàn)樵趯?shí)際焊接試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)12mm陽極孔經(jīng)時(shí)，由于陽極孔徑過大，導(dǎo)致金屬蒸氣更容易上升進(jìn)入陰陽極之間，柵極和燈絲污染嚴(yán)重，且易發(fā)生放電現(xiàn)象，故選取10mm作為最終的陽極孔徑設(shè)計(jì)尺寸。調(diào)整陰陽極距離至16mm。新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸對(duì)照如表1所示。

新舊陽極實(shí)物分別如圖9（a）和（b）所示，新舊柵極實(shí)物分別如圖10（a）和（b）所示，調(diào)節(jié)陰陽極距離通過制作3個(gè)1mm厚陽極墊片把陽極墊高來實(shí)現(xiàn)，保證陰陽極距離為16mm。

表1 新舊束源結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸對(duì)比

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果，分別將原有的和改進(jìn)后的陽極、柵極裝入Q60A電子槍中，并調(diào)節(jié)陰陽極距離，隨后選用除了聚焦電流以外完全相同的兩組焊接參數(shù)，在20mm厚鋁合金板上進(jìn)行焊接試驗(yàn)。選擇不同聚焦電流是因?yàn)楦淖兞私Y(jié)構(gòu)后焦點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生變化，試驗(yàn)需要對(duì)比各自最佳聚焦?fàn)顟B(tài)下的焊縫質(zhì)量，故需要調(diào)整聚焦電流。焊接參數(shù)如表2所示,聚焦電流原結(jié)構(gòu)為320mA,優(yōu)化后結(jié)構(gòu)為326mA。原有結(jié)構(gòu)焊接所得焊縫編號(hào)為1，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)所焊焊縫編號(hào)為2。試驗(yàn)所得焊縫截面如圖11所示。

圖9 新舊陽極Fig.9 New and old anodes

圖10 新舊柵極Fig.10 New and old grids

表2 20mm厚鋁合金板焊接試驗(yàn)參數(shù)

表3 20mm鋁合金板焊縫形貌測(cè)量數(shù)據(jù)

焊縫形貌測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

由以上數(shù)據(jù)可得，在焊接參數(shù)相同的條件下，優(yōu)化后的電子槍結(jié)構(gòu)得到的焊縫深寬比大于原有結(jié)構(gòu)所焊焊縫的深寬比，從而證明電子槍束流品質(zhì)得到了優(yōu)化。

圖11 鋁合金焊縫Fig.11 Aluminum alloy weld joints

結(jié)論

（1）通過建立1∶1電子槍束源部分三維模型，并利用CST仿真軟件對(duì)束流產(chǎn)生過程進(jìn)行模擬，結(jié)合模擬數(shù)據(jù)分析得到了能改善束流品質(zhì)的束源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后的陽極孔徑為10mm，柵極球面半徑為20mm，陰陽極距離為16mm。

（2）用改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)和原來結(jié)構(gòu)分別在20mm厚鋁合金板上進(jìn)行焊接試驗(yàn)，通過比較焊縫形貌，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)焊接出來的焊縫深寬比2.82大于原有結(jié)構(gòu)所得焊縫深寬比2.03，從而證明了模擬結(jié)果的正確性。

（3）此種模擬方法能夠?yàn)楦纳片F(xiàn)有電子槍束流品質(zhì)以及未來電子槍的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]胡傳順,孫長(zhǎng)義.電子束焊接?xùn)牌珘汉完帢O發(fā)射面積對(duì)焊縫形狀的影響[J].撫順石油學(xué)院學(xué)報(bào),1999,19(1):41-42.

HU Chuanshun,SUN Changyi.Effect of EBW grid bias and cathode emissive area on weld configuration[J].Journal of Fushun Petroleum Institute,1999,19(1):41-42.

[2]王之康.真空電子束焊接設(shè)備及工藝[M].北京：原子能出版社,1990.

WANG Zhikang.Vacuum electron beam welding equipment and technology[M].Beijing:Atomic Energy Press,1990.

[3]王永杰.大功率電子槍電子束形成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[D].沈陽:東北大學(xué),2011.

WANG Yongjie.Design and study of beam forming system of high power electron beam gun[D].Shenyang: Northeastern University,2011.

[4]JáNSKY P，ZLáMAL J，LENCOVá B，et al.Numerical simulation of the thermionic electron gun for electron-beam welding and micromachining[J].Vacuum,2009,84(2):357-362.

[5]張以忱.電子槍與離子束技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2004.

ZHANG Yichen.Electron gun and ion beam technology[M].Beijing: Metallurgical Industry Press,2004.

[6]倪士勇.高壓電子束焊機(jī)中電子束發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007(4):126-128.

NI Shiyong.Design and calculation on electron-beamgenerating system of high-voltage electron-beam welding equipment[J].Mechanical Engineering and Automation,2007(4):126-128.

[7]CST.CST粒子工作室基礎(chǔ)入門:三維帶電粒子動(dòng)力學(xué)仿真[M].上海:上海軟波工程軟件有限公司,2006.

CST.CST particle studio basic introduction:three dimensional charged particle dynamics simulation[M].Shanghai: CST China Ltd.,2006.

[8]READ M E,JABOTINSKI V,MIRAM G,et al.Design of a girded gun and PPM-focusing structure for a high power sheet electron beam [J].IEEE Transactions on Plasma Science,2005,33(2):647-653.

[9]SPACHMANN H,BECKER U.Electron gun simulation with CST particle studio[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research,2006,558(1):50-53.

[10]BHATTACHARJEED,TIWARI R,JAYAPRAKASH D,et al.Design and development of a 40kV pierce electron gun[C]//2014 International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum.IEEE,Mumbai,2014.

[11]劉光輝,宋宜梅,劉海浪,等.基于CST粒子工作室的熔煉電子槍發(fā)生系統(tǒng)的仿真[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2016,36(2):144-147.

LIU Guanghui,SONG Yimei,LIU Hailang,et al.Simulationon the generating system of melting electron gun basedon CST particle studio[J].Journal of Guilin University of Electronic Technology,2016,36(2):144-147.