强流静电会聚LaB6阴极电子枪研究

论文摘要

强流电子枪在超高频器件、电子束焊接、材料表面改性和电子束机械加工等方面有广泛的用途。如在电子束表面改性方面,通过对比未辐射和辐射试样的断面EPMA(电子探针)和SEM(扫描电子显微镜)图像,可以看出显微组织明显改善,相应地引起机械性能的提高,同时操作简单,而且不会破坏零件的结构。因此,研究性能可靠的电子枪具有十分重要的意义。要获得性能可靠的电子枪,阴极材料的选择非常关键,因为这关系到器件的寿命和稳定性。实验表明:六硼化镧(LaB6)具有高导电率和良好的热稳定性、化学稳定性、低功函数以及活性阴极表面,因此从理论上成为了阴极材料的理想选择。传统的强流电子枪几乎都采用了电、磁混合聚焦的方式,磁聚焦尽管技术十分成熟,但因为涉及到高、低压的绝缘问题,结构十分复杂,很难用在对重量要求很苛刻的条件下,如空间焊接。而采用纯静电方式会聚的电子枪降低了器件的复杂程度,减轻了器件的重量,因此具有独特的优势。电子枪设计的基本方法有理论设计、实验和图解等方法,但因为理论设计要求很高,需要繁琐的公式推导,结构也不能太复杂,而得到的结构多是复杂曲面,给加工又带来很大的困难。实验法和图解法因为精度不高,现在已经很少使用。随着电子计算机技术和计算技术的发展,现在流行的设计方法是根据设计要求,首先设计出初始模型,然后通过计算软件的模拟,根据模拟的结果再修正模型,如此反复,直到得出满意的结果。这种方法节约了成本和时间,减少了实验的次数和盲目性,提高了设计的效率,增加了设计的准确性。本文旨在研究探索强流静电会聚六硼化镧阴极电子枪各个参数对其性能的影响,设计出性能优良的电子枪系统。首先根据设计的要求(在5000V的总电压下,输出300mA的强流电子束)设计出初始的计算模型,再编写MAGIC代码对初始模型进行计算机仿真,根据模拟的结果,再修正模型的结构或者参数,得出满意的结果后再进行详细的结构设计。在实验室现有的条件下,因为仅有2500V电源,为验证设计的准确性,在修改了一定的结构和参数后,在2000V总电压下进行实验验证模拟仿真的结果。通过实验发现,实验结果和模拟结果基本吻合,因此可以认为,在5000V总电压下输出300mA的设计是可行的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 强流静电会聚电子枪研究的意义
• 1.2 强流电子枪涉及到的关键技术
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 第二章 电子光学的基本理论及数值模拟
• 2.1 电子光学发展简述
• 2.2 电子在均匀电场中的运动
• 2.2.1 直角坐标系中的电子运动方程和电子运动速度
• 2.2.2 电子在均匀电场中的运动
• 2.2.3 电子光学与几何光学的比较
• 2.3 电子光学中的场
• 2.3.1 轴对称电场中的数学表达式
• 2.3.2 轴对称电场中的幂级数表达式
• 2.3.3 积分表达式
• 2.4 电子轨迹方程
• 2.5 强流电子光学
• 2.5.1 电子注在无场空间的发散--空间电荷效应
• 2.5.2 强流电子枪的设计
• 2.6 电场和电子轨迹的数值求解
• 2.6.1 电场的数值计算
• 2.6.2 电子轨迹的数值计算
• 第三章 强流静电会聚电子枪的计算机模拟
• 3.1 问题的提出
• 3.2 初步计算模型的建立
• 3.2.1 电子枪的初步设计
• 3.2.2 聚焦系统的初步设计
• 3.2.3 PIC 模拟的基本思路
• 3.2.4 计算模型的建立
• 3.2.5 模拟仿真代码的编写
• 3.2.6 模拟仿真过程和结果
• 第四章 强流静电会聚电子枪的结构设计
• 4.1 电子枪的结构设计
• 4.1.1 平面阴极的材料和结构设计
• 4.1.2 聚束极的设计
• 4.1.3 阳极的设计
• 4.2 聚焦系统的结构设计
• 4.3 装配组件图及其说明
• 4.4 装配前对各零件的处理工艺
• 4.4.1 六硼化镧材料清洗
• 4.4.2 不锈钢材料的清洗和真空退火
• 第五章 电子枪系统的测试
• 5.1 测试的方案
• 5.1.1 阴极温度与功率的关系测定
• 5.1.2 测试电路和测试步骤
• 5.2 测试的结果
• 5.3 测试中的注意事项
• 第六章 结束语
• 6.1 本文的主要工作及其结论
• 6.2 本文工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 研究生期间发表的论文
• 附录
• 计算仿真代码（最终模型）