冷阴极环形电子束源等离子体阳极“透镜”效应机理及其束流品质优化

To the phenomena of scanty fundamental researchs about ringy electron beam of cold cathode beam source，which helps to improve quality of ecectron beam additive manufacturing in current domestic, the 3D model of the ringy electron beam source, mathematic model of plasma anode “lens” and the electron optical system will be builded. A series of experimentations about the key technique parameters influenced electron beam quality will be developed at the test equipment of cold cathode electron beam source. By means of the Beamassure system of electron beam energy density analysis and a new type test methods of beam quality, the characteristics of ringy electron beam of cold cathode beam source will be tested. The experimental tests with analog computation, will be used to research the characteristic of interreaction of positive ion and ringy cathode, mechanism of plasma anode “lens” of cold cathode electron beam source and methodes to improve ringy electron beam quality. It will break through the ring beam occurrence technology, the control and test technology of the cold cathode electron beam source, solve the basic problems such as the characteristic token of second electron emission, mathematic description of plasma anode “lens”, theoretics calculation to improve the quality of “electron beam waist”, the magnetic field control of the ringy electron beam quality optimization. Provide scientific theory, the control method and the mathematics model for the cold cathode electron beam source structure design and optimization of ringy electron beam.

针对当前国内对有助于提高电子束熔丝增材制造质量的冷阴极环形电子束源的基础科学问题研究不深入、不透彻的现象，分别建立冷阴极环形电子束源的三维模型、等离子体阳极“透镜”效应的数学模型及其电子光学系统，在组建的束源试验平台上，开展关键工艺参数和束流品质相关性的系列化试验，采用新型束流品质检测方法结合电子束能量密度检测仪Beamassure系统，对冷阴极环形电子束的特性进行检测分析；将数值模拟与试验检测结果相结合，研究正离子与环形阴极相互作用的二次电子发射特性、等离子体阳极“透镜”效应机理、束流品质优化方法；突破冷阴极环形电子束的发生、调控及其检测的关键技术，解决冷阴极环形电子束源二次电子发射特性表征、等离子阳极“透镜”效应的数学表述、冷阴极环形电子束“注腰”束流品质优化的理论计算、束流品质优化的电磁场控制等基础问题，为冷阴极环形电子束源结构及其束流品质的优化提供科学理论、数学模型和控制方法。

电子束熔丝增材制造是一种适用于高附加值大型金属结构件快速制造的技术。国内外常用电子束熔丝增材制造技术普遍采用轴侧送丝的热阴极电子束熔丝成形技术，轴侧送丝的热阴极电子束熔丝成形技术由于阴极寿命有限、存在加热阴影区、热输入大，使得成形件组织粗大，成形质量难以大幅提高。相对而言，丝束同轴冷阴极电子束增材制造技术具有电子枪阴极寿命长、无加热阴影区、热输入少等优点，微观组织得到明显改善，而丝束同轴冷阴极电子束技术在国内研究较少，因此本项目针对丝束同轴冷阴极电子束核心束源涉及的关键科学技术问题进行了研究，主要开展了正离子与环形阴极相互作用的二次电子发射特性及其表征方法、冷阴极环形电子束源的等离子体阳极“透镜”效应机理、冷阴极环形电子束“注腰”束流品质的优化方法、冷阴极环形电子束束流品质优化的电磁控制方法等研究工作；研制了1套基于等离子体阳极的冷阴极环形电子束流发生试验装置，提出了1种基于等离子体阳极的冷阴极环形电子束源束流品质优化的方法；获得了1种冷阴极电子束源等离子阳极“透镜”的表征与“注腰”位置求解方法；试验中发现：.（1）在环形束斑冷阴极电子枪的阴极表面存在一个阴极压降区，二次电子通过该区域被加速，穿过阴极压降区，按照阴-阳极之间的电场方向反向运动，最终汇聚在电子束“注腰”位置；.（2）环形束斑冷阴极电子枪的阴极弧面半径为100mm，阳极倾角α为40°时，电子束“注腰”位置的电子束能量密度达到最大；.（3）等离子阳极“透镜”与电场作用密切相关，等离子阳极“透镜”可以采用工作电压强度、阴极表面正离子分布状态及焦距参数等进行表征；.（4）电子束“注腰”是一段电子能量高度汇聚的柱状区，气流量对“注腰”出现的位置及其直径等参数影响较大。.上述研究工作的开展为丝束同轴冷阴极电子束熔丝增材制造技术的推广应用，提供了技术理论支持，对于未来航空航天领域重点型号结构件的快速成形验证、缩短型号研制周期具有重要意义。