空间电子束焊枪电子光学系统的设计
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摘要
本文介绍了国内外空间焊接技术的研究状况，提出了我国空间站用手工电子
束焊枪电子光学系统的设计方案。
根据电动力学的基本方程，推导出空间电子束焊枪聚焦透镜在圆柱坐标系中
的自洽性方程组。
为利用计算机对自洽性方程组进行数值求解，首先对聚焦透镜区进行网络分
格，然后采用电位分布正方形网格五点差分格式对电场方程组进行离散化，并用
超松弛迭代法求解；采用九点插值法计算透镜区电子轨迹上任意一点的电位和电
位梯度，并用龙格库塔法求解电子运动方程组。
分析了空间电荷效应对空间电子束焊枪设计的影响，提出了计算空间电荷密
度的电荷量分配法。
分析了空间电子束焊枪聚焦透镜区电子热初速度的影响及计算方法。
分析了计算电子束最小束腰的方法。
在综合分析的基础上，提出了我国空间用电子束焊枪的计算机辅助设计方
法，采用Turbo C语言进行计算机编程，完成了电子光学系统的参数概算，并取得
了满意的结果，表明主要设计指标是合理的，证实了空间电子束焊枪电子光学系
统的计算和设计方法是正确的。
0l，r■
In this paper, the developmental situation of space welding technology home and abroad is introduced. Then it' s put forward that the designing scheme on electron optical system of the domestic space electron beam welding gun.
Equations of electron beams in the column coordinate system are deduced according to fundamental equations of electro motion mechanics.
In order to solve above equations with numerical method, firstly compartmentalize the main lens section into meshworks, then use square griddling five-point difference format to rewrite electric field equations, finally use nine-point and RONGCUTA methods to solve electron beam movement equations.
The influence of space charge in the space electron beam focusing system is introduced. Then charge-distribution method which is used to calculate the density of space charge and the Computer Aided Design (CAD) method are put forward. The result by programming calculation shows that the method is correct.
, The influence and calculating method of thermal muzzle velocity of electron beams on lens section are analyzed.
The minimal radius of the trajectory of electron beams is calculated.
The parameters calculation of the focusing system is completed through utilizing C language and a satisfying result is gotten which shows that the main target and the design method of the electrostatic focusing system are reasonable, the calculation is correct.
束焊枪电子光学系统的设计方案。
根据电动力学的基本方程，推导出空间电子束焊枪聚焦透镜在圆柱坐标系中
的自洽性方程组。
为利用计算机对自洽性方程组进行数值求解，首先对聚焦透镜区进行网络分
格，然后采用电位分布正方形网格五点差分格式对电场方程组进行离散化，并用
超松弛迭代法求解；采用九点插值法计算透镜区电子轨迹上任意一点的电位和电
位梯度，并用龙格库塔法求解电子运动方程组。
分析了空间电荷效应对空间电子束焊枪设计的影响，提出了计算空间电荷密
度的电荷量分配法。
分析了空间电子束焊枪聚焦透镜区电子热初速度的影响及计算方法。
分析了计算电子束最小束腰的方法。
在综合分析的基础上，提出了我国空间用电子束焊枪的计算机辅助设计方
法，采用Turbo C语言进行计算机编程，完成了电子光学系统的参数概算，并取得
了满意的结果，表明主要设计指标是合理的，证实了空间电子束焊枪电子光学系
统的计算和设计方法是正确的。
0l，r■
In this paper, the developmental situation of space welding technology home and abroad is introduced. Then it' s put forward that the designing scheme on electron optical system of the domestic space electron beam welding gun.
Equations of electron beams in the column coordinate system are deduced according to fundamental equations of electro motion mechanics.
In order to solve above equations with numerical method, firstly compartmentalize the main lens section into meshworks, then use square griddling five-point difference format to rewrite electric field equations, finally use nine-point and RONGCUTA methods to solve electron beam movement equations.
The influence of space charge in the space electron beam focusing system is introduced. Then charge-distribution method which is used to calculate the density of space charge and the Computer Aided Design (CAD) method are put forward. The result by programming calculation shows that the method is correct.
, The influence and calculating method of thermal muzzle velocity of electron beams on lens section are analyzed.
The minimal radius of the trajectory of electron beams is calculated.
The parameters calculation of the focusing system is completed through utilizing C language and a satisfying result is gotten which shows that the main target and the design method of the electrostatic focusing system are reasonable, the calculation is correct.
引文
[1] 兰州物理研究所．空间焊接技术的概念研究．航天科技集团公司510 所．2001． 03．
[2] 史耀武、张新平等．严酷条件下的焊接技术(中国焊接学会组编)．2000年4月．
[3] B. E. Paton, et al. Equipment and technology of vacuum technologies under the orbital conditions Avtomaticheskaya Svarka October 1999．
[4] V. I. Berzhaty et al. Prospects for the application of vacuum technologies under the orbital conditions Avtomaticheskaya Svarka October 1999．
[5] B. E. Paton, et al. Manual electron beam technology operations in spaceAvtomaticheskaya Svarka October 1999．
[6] 许启智． 局部真空电子束焊机电子枪设计．“直线型局部真空电子束焊接技术” 鉴定会资料．北京：国防工业出版社．1987． 2．
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[8] EI-karch, Electron beams, lenses, and optics, V1, 1970．
[9] Klemperer, Electron optics, 3rd. ed. 1971．
[10] Spangenberg. Vacuum tubes, 1948．
[11] 赵国骏，于毓麟，院宝崧．电子光学[M]．北京：国防工业出版社，1980． 95-96．
[12] 应根裕，刘敏文，孙伯尧．电子光学[M]．北京：清华大学出版社，1984． 224．
[13] 范玉殿．电子束和离子束加工．北京：机械工业出版社，1989年．
[14] 唐传尧．电子束管．北京：国防工业出版社，1979年．
[15] 谢曼．电子光学理论基础．北京：高等教育出版社，1958．
[16] 李志远，钱乙余，张九海．先进连接方法[M]．北京：机械工业出版社， 2000． 122-123
[17] 中国机械工程学会焊接学会．焊接手册．第1卷：焊接方法及设备．北京：机 械工业出版社，2001． 8．
[18] 美国焊接学会 清华大学焊接教研组．焊接手册．第三卷：焊接方法．北京：机 械工业出版社，1986． 8．
[19] 郑州机械科学研究所．电子束焊接法及其设备．北京：国防工业出版社， 1977． 6．
[20]
[21] 楼仁海．电磁理论．电子科技大学出版社，1996年．
[22] 朱培豫．经典电动力学．北京：人民教育出版社，1982年．
[23] 刘宝炎．强流电子束的数学物理问题及数值分析方法(电子枪计算机辅助设计 及电子光学计算方法讨论班讲义)．1982年3月．
[24] 西门继业．电子光学正则理论与束流计算. 北京：国防工业出版社，1994．
[25] 唐天同. 应用带电粒子光学引论．西安：西安交通大学出版社，1987年．
[26] 巴申柯、克列巴诺夫、钟思安，电子束焊接，北京：国防工业出版社，1976． 8．
[27] 杜秉初、汪健如．电子光学．北京：清华大学出版社，429，2002、 10．
[28] 电子管设计手册编辑委员会．强流电子枪优选系列．北京：国防工业出版社， 1979． 11．
[29] 华中一等．电子光学．复旦大学出版社，1999年．
[30] 云建军．工程材料及材料成形技术基础．北京：电子工业出版社,2003． 01．
[31] 张秉刚、吴林、冯吉才．过内外电子束焊接技术研究现状．焊接，2004年第2 期．
[32] 林达、姚儒彬．高效专用电子束焊接机电枪可靠性的研究(上)电子光学与结 构设计．全国焊接学会90年年会论文集．
[33] 宁斐章、陈健、郑锦山．厚板1／100ATM电子束焊接工艺的研究．全国焊接学 会90年年会论文集．
[34] 魏伦、宁斐章．微机控制薄板电子束焊自动熔透及焊缝跟踪的研究．全国焊接学 会90年年会论文集．
[35] 童林夙、西门继业、丁守谦．电子光学计算机辅助设计．北京：国防工业出版 社，1990年．
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