淺析空間電子束焊槍電子光學系統的設計

摘 要：在當前的社會當中，焊接技術是一項十分重要的技術，空間焊接是其中一個主要的分支。隨著科技的不斷發展和進步，空間電子束焊槍在應用當中不斷得到優化，特別是在電子光學系統的應用之下，其作用和性能也得到了進一步的提升。基于此，本文對空間電子束焊槍電子光學系統的設計進行分析，以期推動該技術更高的發展與進步。

關鍵詞：空間電子束；焊槍；電子光學系統；設計

隨著空間工業、宇宙科學研究、航天技術等領域的不斷發展，各個國家對于空間更大規模的利用都十分重視，因而紛紛開展了在軌建造技術的開發。而在未來的航天飛行器空間組裝和維修當中，焊接是一個十分重要的過程，因此，應當針對空間環境發展適合的焊接技術。在空間焊接當中，電子束焊接是一項較為理想的焊接技術，特別是隨著電子光學系統的發展和應用，使得這一領域得到了很大的提高。

一、空間電子束焊槍電子光學系統的設計方案

在電子束焊槍的應用當中，陰極對電子進行發射，在陰陽極之間，通過加速電壓被加速，基于聚束極的作用，從陽極孔成束穿過。然后在電荷的作用下發生發散，電子束由電透鏡向工件上進行匯聚和撞擊，從而融化金屬，完成焊接工作。在電子槍的構成結構當中，主要包括陽極以外的透鏡區，其像距為a，物距為b。另外還包括陰陽極之間的靜電區。在設計當中，主要是針對透鏡部分進行設計。在聚焦電子束的過程中，可以通過磁聚焦和靜電聚焦的方式完成。其中，由于磁聚焦裝置不適用于空間焊接，因此可采用靜電透鏡的方式，具有質量輕、功耗低等優勢。在采用的單透鏡聚焦當中，單透鏡電子槍具有很多方面的優點，例如結構可以封閉，能夠有效屏蔽雜散場，可用低聚焦電壓，電壓穩定性要求不高，會聚角小，因此束界面小，以及電流散焦小等。

二、單透鏡聚焦的基本原理

在單透鏡當中，一般包含三個電極，其中，兩個外電極具有相同的電壓，因此，在透鏡兩邊是等位區，而中間電極與外電極點位不同，應用較多。在等位面和單透鏡電極中，通常具有左右對稱的形狀。一般的單透鏡都包含三圓筒或三膜片，其中等徑三圓筒單透鏡結構較為簡單，因而應用較為廣泛。在靜電透鏡中心面左邊，具有正電場，因而促使電子向軸匯聚，而中心面右邊，具有負電場，促使電子離軸發散[ 1 ]。軸向電場在透鏡區當中，具有相同的方向，因而電子會不斷提速。在匯聚區域，電子的飛行速度相對較低，因此時間較長，透鏡能夠發揮出會聚的作用。在單透鏡供電當中能夠，接地兩邊電極，在中間電極則是負高壓，所以不對電子進行截獲。電子槍采用該系統，稱為零電流電子槍。

三、電子束束斑的物理構成因素

在空間電子束焊槍當中，電子束束斑指的是電子槍對圓截面電子束進行發射，穿過陽極進入單透鏡區，電場在對其進行聚焦之后，打到工件之上，該電子束通常具有最小圓截面。電子槍具有一定的發射功率，能夠對電子束斑達到工件上的截面面積進行控制，因而在單位面積中，能夠對電子束能量進行有效的提升，從而實現電子束焊接的效果[ 2 ]。在空間電子束焊槍的實際應用當中，有很多因素會對束斑的大小產生影響，主要包括靜電區電子熱初速度、漂移區空間電荷效應、電透鏡球差、以及色差等。為了對打到工件的電子束斑半徑進行準確的計算，應當對這些因素進行考慮，從而對最小半徑的電子束斑進行獲取，在單位面積內，進一步提高電子束的能量，從而取得更為理想的焊接效果。

四、電子束焊槍參的數概算

在空間電子束焊槍電子光學系統當中，主要包含了透鏡、靜電等部分。需要結合透鏡的幾何參數，以及對電子束斑產生影響的物理參數，整體性的定量分析電子光學系統，從而更好的設計槍體機構和透鏡部分，為電子束焊槍的設計提供基礎。其中，電子槍加速電壓為10千伏、束流為100毫安、功率為1千瓦，需要對打到工件電子束斑的直徑、中間圓筒上負電壓、兩圓筒之間間隙、圓筒直徑、像距和物距等進行計算[ 3 ]。通過對這些參數的計算，得出能夠滿足空間焊接實際要求的電參數、幾何尺寸、透鏡結構等，同時通過相應的實驗進行驗證。在對影響電子束斑直徑的因素進行考慮的基礎上，應當能夠結合底面應用的磁場聚焦電子束焊槍的計算方法進行參考和修正，然后利用計算機進行模擬計算和驗證，最終得出準確、可靠的計算方法。以此對電子束斑直徑進行計算，從而能夠與實際的電子束斑數值更加接近，計算誤差更小，因此能夠設計出更為良好的電子束焊槍。

五、編程結果分析和參數選擇

在對物理因素進行分析之后，對編程進行相應的計算。其中，給定的電子槍加速電壓為10千伏，束流為100毫安，功率為1千瓦，圓筒直徑為10毫米。在計算機輔助計算當中，需要對中間圓筒負電壓、兩圓筒之間間隙、中間圓筒長度、像距、物距等參數進行應用。根據這些因素的影響，電子束斑的直徑也與之相關。通過計算得出像距為50毫米，物距也為50毫米，放大率為1。在編程結果當中，加速電壓為10千伏，束流為100毫安，圓筒直徑為10毫米，S/D的數值為0.4、0.5、0.6、0.8、1.0[ 4 ]。在0.04到0.05的弧度之間，能夠得到較小的束斑半徑的值，因此，進行透鏡部分計算，在0.04到0.05之間選擇參數。利用計算機輔助計算獲取透鏡的集合參數，在工件上得到相應的電子束軌跡圖。在工件上，電子束的軌跡為先發散、然后在經典透鏡聚焦的作用下，電子束的半徑被壓縮，因此，最終有0.68毫米半徑的電子束斑達到工件上。

六、結論

隨著空間技術的發展，空間電子束焊槍正在得到越來越廣泛的應用。而在其實際應用當中，由于空間環境的特殊性等限制，應當采用電子光學系統對其工作進行輔助，結合電子束斑的影響因素，對空間電子束焊槍電子光學系統的設計進行了研究和分析，從而進一步提升電子束焊槍的應用效果。

參考文獻：

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[4] 齊鉑金，范霽康，劉方軍.脈沖束流電子束焊接技術綜述[J].航空制造技術，2015，11：26-30.

作者簡介：劉暢（1992-），男，湖北黃梅縣人，專業：物電學院光信息科學與技術。