激光加熱陰極式電子槍研究

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(chǎn)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(zhì)及陰極壽命?；赒60-A電子束設(shè)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(jìn)行系統(tǒng)分析，確定了激光器選型方案和束源部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。結(jié)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(dá)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(shè)計優(yōu)化了新束源部件結(jié)構(gòu)尺寸，當(dāng)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(zhì)理想，并通過實驗驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)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(tǒng)化設(shè)計及工程化應(yīng)用提供了參考依據(jù)和有益指導(dǎo)。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(yīng)用越來越廣泛[2-3]，電子槍作為電子束加工設(shè)備最核心的部件，其性能對電子束加工效果有著關(guān)鍵影響。但傳統(tǒng)熱發(fā)射電子槍普遍存在著外加電流產(chǎn)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(jìn)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(jìn)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(yuǎn)程發(fā)射，可去除傳統(tǒng)加熱相關(guān)部件，簡化電子槍結(jié)構(gòu)，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(shù)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(guān)于激光加熱陰極模式的系統(tǒng)化設(shè)計及工程應(yīng)用方面研究較少，文中對激光加熱陰極過程進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定激光波長、激光功率的選型設(shè)計及激光加熱方式，分析電子槍內(nèi)空間電場及束流軌跡，對束源部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 總體設(shè)計思路

基于中國航空制造技術(shù)研究院自研的Q60-A電子束焊接設(shè)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(guān)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(shè)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(zhì)，從而對整個電子槍的性能及加工效果產(chǎn)生重要影響，故通過系統(tǒng)分析激光加熱陰極過程，確定激光波長、激光功率的選型設(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)全新的加熱方式，文中探究了束源部件結(jié)構(gòu)尺寸對電子槍內(nèi)空間電場分布及束流軌跡的影響，從而對束源部件結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

2 激光器選型設(shè)計

2.1 陰極溫度場分析

Q60-A電子束設(shè)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(jù)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(dǎo)入仿真軟件COMSOL中，添加固體傳熱模塊，設(shè)置各結(jié)構(gòu)材料物性參數(shù)，并設(shè)置模擬環(huán)境為真空，環(huán)境溫度為300 K，各結(jié)構(gòu)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(shè)定激光功率變化范圍為250～500 W，同時為使得陰極較快達(dá)到工作溫度，加熱時間設(shè)定為1 s。

網(wǎng)格劃分采用自由四面體網(wǎng)格，將整體網(wǎng)格單元細(xì)化，并對陰極附近網(wǎng)格進(jìn)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(jìn)行求解，模擬結(jié)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(guān)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(jù)。

2.2 激光器選型設(shè)計

2.2.1 激光波長選型

激光對材料的輻照過程的本質(zhì)是激光與材料之間的相互作用，涉及光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等多學(xué)科的交叉耦合[7]，確定材料對激光的吸收率是最關(guān)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(dǎo)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(jīng)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(xué)的嚴(yán)深平等人[9]測量了常用金屬材料的激光吸收率，結(jié)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(shù)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(jìn)行加熱，綜合考慮激光吸收率、技術(shù)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(yīng)著不同的陰極溫度，而不同的陰極溫度又對應(yīng)著不同的電流發(fā)射密度。根據(jù)Q60-A電子束設(shè)備設(shè)計參數(shù)，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(jīng)典關(guān)系式為[11]

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

當(dāng)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(fù)雜，故考慮一定裕值，取T=2 650 K進(jìn)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(guān)系曲線可以看出，當(dāng)加熱時間為1 s時，陰極達(dá)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(shè)計

在實際工作過程中，電子槍經(jīng)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(nèi)，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(jīng)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(nèi)陰極各發(fā)射參數(shù)隨工作溫度的變化關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯?，在該范圍內(nèi)，發(fā)射參數(shù)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(nèi)所標(biāo)注區(qū)域。

首先研究陰極在該周期內(nèi)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(jié)果如圖5所示。可以看出，當(dāng)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(nèi)的加熱過程，在一個周期內(nèi)，為使激光的熱輸入與陰極的熱散失達(dá)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(zhì)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(jìn)行加熱，1 s后陰極達(dá)到工作溫度2 650 K，再將激光器調(diào)整至臨界功率160 W對陰極進(jìn)行加熱，激光加熱時間如圖6所示。

3 束源部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

3.1 三維模型建立

電子槍內(nèi)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(jié)構(gòu)優(yōu)化，而對其他已經(jīng)成熟、穩(wěn)定使用，或受加熱方式改變影響較小的部件的結(jié)構(gòu)尺寸不做改動。基于Q60-A電子束設(shè)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(jìn)行裝配。在各結(jié)構(gòu)尺寸中，對束流品質(zhì)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(dǎo)入COMSOL仿真軟件中，添加靜電模塊，設(shè)置域內(nèi)為真空環(huán)境，且保持電荷守恒，設(shè)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(shè)置各材料相對介電常數(shù)為1。

網(wǎng)格劃分后，建立穩(wěn)態(tài)研究，利用有限元求解器進(jìn)行計算，得到電子槍內(nèi)部空間電場分布模擬結(jié)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(dá)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(dá)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(chǎn)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(chǔ)上，添加帶電粒子追蹤模塊，設(shè)置粒子屬性為電子，電子在分析域內(nèi)受電場的作用，指定陰極下表面為電子發(fā)射面，設(shè)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(shù)為120.4 A/（cm·K）2，由于模擬時間較長，為了減少仿真耗時，設(shè)置每次釋放電子數(shù)為500個。

網(wǎng)格劃分后，建立瞬態(tài)研究，利用有限元求解器進(jìn)行計算，得到束流軌跡模擬結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯觯瑥年帢O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(dá)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(jié)構(gòu)和電勢共同決定，此時電流密度達(dá)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(guān)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(jié)構(gòu)優(yōu)化打下了良好基礎(chǔ)。

3.3 束源部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

束源部件的結(jié)構(gòu)尺寸對電子槍內(nèi)束流軌跡有著顯著影響，從而決定了電子束流品質(zhì)。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(zhì)，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(jié)果，取中心截面束流進(jìn)行二維繪圖，并將其橫坐標(biāo)按比例擴(kuò)大50倍，如圖10所示，圖中y負(fù)半軸指向陰極。通過模擬結(jié)果數(shù)據(jù)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(jìn)行仿真，當(dāng)陰極與陽極距離過近，容易導(dǎo)致陽極與柵極的放電現(xiàn)象，當(dāng)陰極與陽極距離過遠(yuǎn)，會影響陽極下方其他部件的安裝。根據(jù)經(jīng)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(xiàn)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?？梢钥闯觯鳌?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(jìn)行仿真，當(dāng)陽極孔徑過小，束流難以穿過，并且容易發(fā)生干涉，當(dāng)陽極孔徑過大，金屬蒸汽更容易進(jìn)入陰陽極之間，污染束源部件，根據(jù)經(jīng)驗r的合適取值為5～10 mm，陰陽極距離h=18 mm、R取現(xiàn)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。可以看出，束流“ 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(jìn)行仿真，當(dāng)柵極球面半徑過小，容易導(dǎo)致陽極與柵極的放電現(xiàn)象;當(dāng)柵極球面半徑過大，會影響其他部件的安裝，根據(jù)經(jīng)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?？梢钥闯觯鳌?注腰 ”半徑先增大后減小，在R=20 mm處最小。

綜合以上模擬結(jié)果，設(shè)計優(yōu)化新束源部件結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸重新建模并進(jìn)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(jié)果一致。

同時在模擬結(jié)果中，將束流“ 注腰 ”位置進(jìn)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(shè)計束源結(jié)構(gòu)尺寸所得到的電子束流品質(zhì)較為理想。

4 激光加熱陰極實驗驗證

為驗證模擬結(jié)果，進(jìn)行了激光加熱陰極實驗。將鎢陰極置于鋁基板上，調(diào)整激光頭水平位置使其與鎢陰極同軸，調(diào)整激光頭離焦量，使激光照射在陰極上的光斑為3 mm，設(shè)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(jìn)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(shù)據(jù)，如圖15所示，將鎢陰極區(qū)域圈出，設(shè)置紅外輻射率為0.1～0.3，考慮到一定的系統(tǒng)誤差，選取圈內(nèi)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(shù)進(jìn)行了補(bǔ)充仿真，將仿真結(jié)果與實驗結(jié)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(jié)果如圖16所示?？梢钥闯觯抡娼Y(jié)果與實驗結(jié)果變化趨勢一致，且仿真誤差控制在10%以內(nèi)，從而驗證了前期仿真結(jié)果是準(zhǔn)確可信的，同時驗證了所選型激光器滿足設(shè)計使用要求。

5 結(jié)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(shè)備，推薦激光波長為1 064 nm，陰極工作溫度為2 650 K，陰極達(dá)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(dá)到工作溫度2 650 K，再以臨界功率160 W對陰極進(jìn)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(dá)到1.45×108 m/s，束流始終在近軸區(qū)運動且關(guān)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(jié)構(gòu)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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