淺析空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：在當(dāng)前的社會當(dāng)中，焊接技術(shù)是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)，空間焊接是其中一個主要的分支。隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，空間電子束焊槍在應(yīng)用當(dāng)中不斷得到優(yōu)化，特別是在電子光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用之下，其作用和性能也得到了進(jìn)一步的提升。基于此，本文對空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以期推動該技術(shù)更高的發(fā)展與進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：空間電子束；焊槍；電子光學(xué)系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

隨著空間工業(yè)、宇宙科學(xué)研究、航天技術(shù)等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，各個國家對于空間更大規(guī)模的利用都十分重視，因而紛紛開展了在軌建造技術(shù)的開發(fā)。而在未來的航天飛行器空間組裝和維修當(dāng)中，焊接是一個十分重要的過程，因此，應(yīng)當(dāng)針對空間環(huán)境發(fā)展適合的焊接技術(shù)。在空間焊接當(dāng)中，電子束焊接是一項(xiàng)較為理想的焊接技術(shù)，特別是隨著電子光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用，使得這一領(lǐng)域得到了很大的提高。

一、空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

在電子束焊槍的應(yīng)用當(dāng)中，陰極對電子進(jìn)行發(fā)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(fā)生發(fā)散，電子束由電透鏡向工件上進(jìn)行匯聚和撞擊，從而融化金屬，完成焊接工作。在電子槍的構(gòu)成結(jié)構(gòu)當(dāng)中，主要包括陽極以外的透鏡區(qū)，其像距為a，物距為b。另外還包括陰陽極之間的靜電區(qū)。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要是針對透鏡部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(zhì)量輕、功耗低等優(yōu)勢。在采用的單透鏡聚焦當(dāng)中，單透鏡電子槍具有很多方面的優(yōu)點(diǎn)，例如結(jié)構(gòu)可以封閉，能夠有效屏蔽雜散場，可用低聚焦電壓，電壓穩(wěn)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(dāng)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(qū)，而中間電極與外電極點(diǎn)位不同，應(yīng)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(jié)構(gòu)較為簡單，因而應(yīng)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(fù)電場，促使電子離軸發(fā)散[ 1 ]。軸向電場在透鏡區(qū)當(dāng)中，具有相同的方向，因而電子會不斷提速。在匯聚區(qū)域，電子的飛行速度相對較低，因此時間較長，透鏡能夠發(fā)揮出會聚的作用。在單透鏡供電當(dāng)中能夠，接地兩邊電極，在中間電極則是負(fù)高壓，所以不對電子進(jìn)行截獲。電子槍采用該系統(tǒng)，稱為零電流電子槍。

三、電子束束斑的物理構(gòu)成因素

在空間電子束焊槍當(dāng)中，電子束束斑指的是電子槍對圓截面電子束進(jìn)行發(fā)射，穿過陽極進(jìn)入單透鏡區(qū)，電場在對其進(jìn)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(fā)射功率，能夠?qū)﹄娮邮哌_(dá)到工件上的截面面積進(jìn)行控制，因而在單位面積中，能夠?qū)﹄娮邮芰窟M(jìn)行有效的提升，從而實(shí)現(xiàn)電子束焊接的效果[ 2 ]。在空間電子束焊槍的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，有很多因素會對束斑的大小產(chǎn)生影響，主要包括靜電區(qū)電子熱初速度、漂移區(qū)空間電荷效應(yīng)、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(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，應(yīng)當(dāng)對這些因素進(jìn)行考慮，從而對最小半徑的電子束斑進(jìn)行獲取，在單位面積內(nèi)，進(jìn)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(shù)概算

在空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中，主要包含了透鏡、靜電等部分。需要結(jié)合透鏡的幾何參數(shù)，以及對電子束斑產(chǎn)生影響的物理參數(shù)，整體性的定量分析電子光學(xué)系統(tǒng)，從而更好的設(shè)計(jì)槍體機(jī)構(gòu)和透鏡部分，為電子束焊槍的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。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(fù)電壓、兩圓筒之間間隙、圓筒直徑、像距和物距等進(jìn)行計(jì)算[ 3 ]。通過對這些參數(shù)的計(jì)算，得出能夠滿足空間焊接實(shí)際要求的電參數(shù)、幾何尺寸、透鏡結(jié)構(gòu)等，同時通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在對影響電子束斑直徑的因素進(jìn)行考慮的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)能夠結(jié)合底面應(yīng)用的磁場聚焦電子束焊槍的計(jì)算方法進(jìn)行參考和修正，然后利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算和驗(yàn)證，最終得出準(zhǔn)確、可靠的計(jì)算方法。以此對電子束斑直徑進(jìn)行計(jì)算，從而能夠與實(shí)際的電子束斑數(shù)值更加接近，計(jì)算誤差更小，因此能夠設(shè)計(jì)出更為良好的電子束焊槍。

五、編程結(jié)果分析和參數(shù)選擇

在對物理因素進(jìn)行分析之后，對編程進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)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(jì)算機(jī)輔助計(jì)算當(dāng)中，需要對中間圓筒負(fù)電壓、兩圓筒之間間隙、中間圓筒長度、像距、物距等參數(shù)進(jìn)行應(yīng)用。根據(jù)這些因素的影響，電子束斑的直徑也與之相關(guān)。通過計(jì)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(jié)果當(dāng)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(shù)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(jìn)行透鏡部分計(jì)算，在0.04到0.05之間選擇參數(shù)。利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算獲取透鏡的集合參數(shù)，在工件上得到相應(yīng)的電子束軌跡圖。在工件上，電子束的軌跡為先發(fā)散、然后在經(jīng)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(dá)到工件上。

六、結(jié)論

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，空間電子束焊槍正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。而在其實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，由于空間環(huán)境的特殊性等限制，應(yīng)當(dāng)采用電子光學(xué)系統(tǒng)對其工作進(jìn)行輔助，結(jié)合電子束斑的影響因素，對空間電子束焊槍電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和分析，從而進(jìn)一步提升電子束焊槍的應(yīng)用效果。

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