環(huán)形束斑冷陰極電子槍的研制及其束流品質(zhì)優(yōu)化

桑興華 許海鷹 楊波

摘要：電子束熔絲增材制造技術(shù)適用于大中型金屬構(gòu)件的高效整體化成形，針對目前用于熔絲增材制造的電子槍存在的諸多缺點，設(shè)計了一種環(huán)形束斑冷陰極電子槍，建立了三維模型，對束源關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)尺寸進行模擬仿真，當陰極弧面半徑100 mm，陽極傾角40°時束流品質(zhì)最優(yōu);根據(jù)模擬仿真結(jié)果加工制造了電子槍，經(jīng)測試，其耐壓可達-22 kV，最大束流可達1 250 mA;選用直徑2 mm的TC4焊絲在加速電壓-20 kV、束流210 mA、工作臺移動速度310 mm/s、送絲速度30 mm/s下進行熔絲實驗，獲得了良好的表面成形質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：電子束熔絲增材制造;環(huán)形束斑;冷陰極電子槍;鈦合金

0? ? 前言

增材制造是一種通過逐層增加材料，直接參照CAD模型生成近凈成形結(jié)構(gòu)的快速制造技術(shù)[1-6]，在航空航天、微納制造、生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域應用前景廣闊[7]。電子束熔絲成形技術(shù)[8-10]具有成形速度快、材料利用率高和保護效果好等特點，適用于大中型金屬構(gòu)件的高效整體化成形。電子束熔絲增材制造技術(shù)作為一類先進的增材制造技術(shù)得到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。TAMINGER[11]等人開發(fā)了一套成形效率可達2 500 cm3/h的電子束熔絲增材制造裝備。WANG [12]等人研究了電子束束流對異種金屬熔絲的影響，指出其影響機制主要為熔深。Dmytro[13-14]等人開發(fā)了一種新型電子束熔絲增材制造裝置，提高了成形精度和效率。中國航空制造技術(shù)研究院高能束流發(fā)生器實驗室團隊[15-16]研究了用于多絲送進以及同軸送粉的電子束增材制造裝置。目前常用的電子束熔絲增材制造技術(shù)原理如圖1所示。

電子束增材制造用電子槍主要為熱陰極電子槍，包括直熱式和間熱式兩種，陰極一般采用鎢絲且壽命較短，直接影響到成形質(zhì)量和加工效率。且由于電子槍固有的結(jié)構(gòu)特點，其電子束流必須沿著軸心輸出，絲材只能從電子槍束流軸線旁側(cè)進給，這就需要精密復雜的對中裝置將絲材準確送到電子束流位置，加大了設(shè)備操作難度，且電子束照射在絲材上會在其背部形成“ 陰影區(qū) ”，容易導致當增材制造成形方向指向“ 陰影區(qū) ”時，成形件內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)不均勻。文中設(shè)計了一種用于電子束熔絲增材制造的環(huán)形束斑冷陰極電子槍，具有陰極壽命長、功率大、質(zhì)量輕、能在惡劣真空環(huán)境下長期穩(wěn)定工作的優(yōu)點;且結(jié)構(gòu)簡單，不需要額外的電磁聚焦系統(tǒng)，僅依靠自身靜電場即可使電子束聚焦;絲材與電子束流同軸，無需復雜的對中裝置;熔絲成形過程中無陰影區(qū)，能顯著提高成形運動自由度，有效保障成形件內(nèi)部組織的均勻性。

1 環(huán)形束斑冷陰極電子槍工作原理

環(huán)形束斑冷陰極電子槍的工作原理如圖2所示。環(huán)形陰極接零到幾十千伏負高壓，外殼接地充當陽極，在陰陽極之間通入工作氣體，該氣體被電離成等離子體，等離子體中的正離子在電場作用下轟擊陽極表面使陽極發(fā)射二次電子，這部分二次電子和等離子體中的電子兩部分共同組成最終的電子束，依靠陰-陽極自身結(jié)構(gòu)形成的靜電場使電子匯聚，最終在匯聚點處熔化同軸送進的絲材。

2 環(huán)形束斑冷陰極電子槍結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用三維造型軟件設(shè)計的電子槍三維模型如圖3所示。電子槍直徑φ230 mm，高140 mm。

陰極為環(huán)形結(jié)構(gòu)，電子發(fā)射面為弧形，保證電子能匯聚。陰極內(nèi)部設(shè)計中空水冷通道，陰極中心環(huán)嵌套陶瓷絕緣環(huán)，起到與導絲機構(gòu)絕緣的作用，陰極內(nèi)部通水冷卻，延長陰極的使用壽命。由于電子槍陰極接-20 kV高壓，其余零部件接地，為實現(xiàn)絕緣，設(shè)計陶瓷絕緣柱，實現(xiàn)陰極和槍體外殼的絕緣。導絲機構(gòu)與陰極同軸安裝，設(shè)計中空水冷結(jié)構(gòu)保護絲嘴。絲嘴為導熱快的紫銅材料，由于其熔點低，在絲嘴外設(shè)計耐高溫材料的保護套。

3 電子槍束流品質(zhì)優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)模擬仿真

由于所設(shè)計的環(huán)形束斑冷陰極電子槍在工作過程中僅靠陰-陽極之間形成的靜電場來使電子束匯聚，故陰-陽極形貌幾何參數(shù)直接決定電子束最終焦點處的束流品質(zhì)。采用模擬仿真軟件CST PARTICLE STUDIO對電子槍的陰極、陽極影響束流品質(zhì)的關(guān)鍵尺寸進行模擬仿真。該軟件是求解電磁場和帶電粒子相互作用的仿真軟件，支持多種粒子發(fā)射模型，包括空間電荷限制發(fā)射、固定能量發(fā)射、場致發(fā)射、二次電子發(fā)射、溫度限制發(fā)射等;支持自定義材料、內(nèi)置材料庫、PBA六面體網(wǎng)格;支持非線性鐵磁材料、各向同性和各向異性材料和導體;支持開放和電磁邊界條件，有用于互作用仿真和接力分段跟蹤的束流粒子狀態(tài)界面;支持加載粒子碰撞平均功率監(jiān)視器、時變諧振電磁場、靜磁場以及外部靜電場，還可以仿真粒子碰撞時產(chǎn)生的溫度場變化;支持瞬態(tài)定格圖、粒子軌跡圖、相圖等狀態(tài)圖[17]。

模擬過程每次控制單一變量，只改變一個參數(shù)。建立等效三維模型并選取陰極半徑R、陽極角度α、兩個參數(shù)進行模擬，如圖4所示。

根據(jù)實際工作情況，設(shè)置邊界條件、網(wǎng)格劃分方法、電子發(fā)射方式、求解方程等，仿真軟件支持外部導入三維模型功能，將利用PRO/E軟件建立的1∶1三維模型導入仿真軟件中，定義邊界條件，y向磁場分量為0，由于在建立電子槍模型時未對其進行其他屏蔽，Xmin、Xmax、Zmin、Zmax的邊界條件均設(shè)為open狀態(tài)[18]。網(wǎng)格劃分采用CAD 設(shè)計中常用的自動網(wǎng)格劃分和手動對局部網(wǎng)格進行加密的方法，劃分形式FPBA。重點要加密部分為陰極、柵極和陽極附近的網(wǎng)格[19]。

對整個電子的產(chǎn)生及匯聚過程進行模擬仿真。得到電場分布如圖5所示，電子沿垂直等電位線的方向運動;在該電場作用下得到完整的束流軌跡如圖6所示。由圖6可知，電子從陰極產(chǎn)生，經(jīng)陰-陽級之間的靜電場匯聚和陰-陽極之間加速電壓加速，在電子槍出口下方某一點匯聚成束斑最小、電子束流密度高度集中的點，即最終工作的焦點。

沿電子運動方向，電子束流密度在垂直于束流軸線方向的分布狀況如圖7所示，0點是陰極表面，為電子發(fā)射面，Y負方向為電子走向，由圖可知，電子在靜電場作用下匯聚成束，電子束電流密度增加，最大值在電子束的最終工作焦點處，經(jīng)過焦點后，由于慣性及電子之間的斥力作用，電子束呈發(fā)散趨勢，電流密度逐漸減小。

3.1 陰極弧面半徑的仿真與優(yōu)化

利用模擬仿真軟件優(yōu)化圖4的陰極弧面半徑R，以確定能夠獲得最優(yōu)束流品質(zhì)的陰極弧面半徑。R的取值范圍如表1所示，每組試驗其余參數(shù)不變。

模擬后得到不同陰極弧面半徑下最終焦點處電子束流密度如圖8所示。由圖8可知，在85～120 mm范圍內(nèi)，隨著陰極弧面半徑的增加，束流最終焦點處電流密度先增加后減小，約在100 mm處達到最大值，故最終設(shè)計陰極弧面半徑選取100 mm。

3.2 陽極傾角的仿真與優(yōu)化

選取圖4所示的陽極（外殼）傾角α作為變量，利用模擬仿真軟件對不同陽極結(jié)構(gòu)下電子束空間分布狀態(tài)進行模擬，每次模擬試驗控制單一變量，最終得到束流品質(zhì)最優(yōu)的陽極結(jié)構(gòu)。陽極傾角α的取值如表2所示。

模擬所得不同陽極傾角的最終焦點處電子束流密度如圖9所示。在30°～60°范圍內(nèi)，最終焦點處電子束流密度隨著陽極傾角的變化先增加后減小，在陽極傾角約為40°時達到最大，故選取40°為最終電子槍陽極的傾角設(shè)計尺寸。

根據(jù)模擬仿真結(jié)果，加工制造的環(huán)形束斑冷陰極電子槍實物如圖10所示。在中國航空制造技術(shù)研究院自主研制的CV2M真空室上集成電子槍與送絲系統(tǒng)組件熔絲試驗平臺如圖11所示。

4 環(huán)形束斑冷陰極電子槍性能測試

4.1 高壓加載試驗

當真空室、電子槍的真空度均達到設(shè)計要求后，對電子槍進行耐壓性能檢測試驗。在空載條件下逐漸加高壓，在0到-20 kV電壓段，每次加載5 kV停留10 min;在-20 kV以上，每增加1 kV，停留10 min，在每段電壓停留期間，電子槍不放電則表明電子槍耐壓能滿足要求，測試結(jié)果如表3所示。由表3可知，電子槍加載到-22 kV時，還能保持穩(wěn)定，繼續(xù)增大時，電子槍出現(xiàn)放電，說明電子槍最大耐壓可達-22 kV。

4.2 束流試驗

加速電壓給定-20 kV，調(diào)節(jié)氣體流量計，通入氦氣，氣流量從零開始逐漸增大，電子槍產(chǎn)生束流如圖12所示，用示波器測量束流反饋信號Ub，根據(jù)式（8）計算出束流Ib，記錄數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4可知，當氣流量為0.24 mL/min時，電子槍束流輸出達到1 250 mA。

4.3 熔絲試驗

采用直徑2 mm的TC4焊絲，加速電壓-20 kV，進行單層熔絲試驗。

（1）固定束流為100 mA，工作臺移動速度為300 mm/min，在不同的送絲速度下進行熔絲試驗，參數(shù)如表5所示。熔絲成形試樣如圖13所示，送絲速度為30 mm/s時，熔絲成形質(zhì)量最好。

（2）固定束流100 mA，送絲速度30 mm/s，在不同的工作臺移動速度下進行熔絲試驗，參數(shù)如表6所示。熔絲成形試樣如圖14所示。可以看出，當工作臺移動速度為310 mm/s時，熔絲成形質(zhì)量較好，當工作臺移動速度過快時，成形不連續(xù);當工作臺移動速度過慢時，成形試樣熔絲成形軌跡過寬。

（3）固定工作臺移動速度310 mm/s，送絲速度30 mm/s，在不同的束流下進行熔絲試驗，參數(shù)如表7所示。

試驗所得熔絲成形試樣如圖15所示。當束流過小時，絲材未完全熔化，出現(xiàn)粘絲;當束流過大時，出現(xiàn)熔塌，成形不均勻;當束流約為260 mA時，熔絲成形質(zhì)量較好。

5 結(jié)論

（1）采用模擬仿真方法優(yōu)化影響環(huán)形冷陰極電子槍束流品質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)，當陰極弧面半徑100 mm，陽極傾角40°時，束流品質(zhì)最優(yōu)。

（2）所研制的環(huán)形束斑冷陰極電子槍最大耐壓-22 kV，最大束流1 250 mA，功率達到27.5 kW。

（3）利用直徑2 mm的TC4焊絲進行單層單道熔絲試驗，當加速電壓-20 kV、束流260 mA、工作臺移動速度310 mm/s、送絲速度30 mm/s時，熔絲成形質(zhì)量較好。

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