电子束冷床炉熔炼炉大功率冷热阴极电子枪对比分析

供稿|李育贤，杨丽春 / LI Yu-xian, YANG Li-chun

电子束熔炼炉是稀有金属熔炼的重要设备，并以功率大小来命名，某公司从乌克兰StrategiyaBM公司引进的3150 kW BMO-01型电子束熔炼炉，使用的7把GGF450型冷阴极电子枪，每把电子枪的功率为450 kW；从美国Retech公司引进的4800 kW BMO-02型电子束熔炼炉，使用的6把EH800V型热阴极电子枪，每把电子枪的功率为800 kW。可见，电子枪在电子束炉冷床熔炼炉上所占的地位，可以说是电子束冷床熔炼炉的心脏。

电子枪

电子枪按其结构形式可分为轴向枪(或称皮尔斯枪)、非自加速环形枪、自加速环形枪及横向枪。非自加速环形枪、自加速环形枪及横向枪由于自身缺点，使用存在一些局限性，逐步被轴向枪取代。

某公司在3150 kW BMO-01型电子束熔炼炉上，使用7把GGF450型电子枪和4800 kW BMO-02型电子束熔炼炉上，使用6把EH800V型电子枪，都是轴向枪联合使用，它们形成的电子束轴向对称。主要有电子束发生系统、电子束加速系统和电子束聚焦、偏转系统三部分组成。4800 kW BMO-02型电子束熔炼炉，使用的6把EH800V型电子枪就是传统意义上的皮尔斯枪，阴极是用钨块制成，需要间接加热，因此称为热阴极电子枪，由德国冯.阿登纳真空技术有限公司研究制造；而3150 kW BMO-01型电子束熔炼炉，使用的7把GGF450型电子枪冷阴极电子枪为直热式，阴极为铝合金，不需要间接加热，因此称为冷热阴极电子枪，在工作时需要充入气体，也称为气体放电式电子枪，由乌克兰巴顿焊接研究院研究制造。

两种电子枪发射电子束的构造和原理对比

EH800V型热阴极电子枪和GGF450型电子枪冷阴极电子枪的构造主要区别是阴极装置(即产生电子束的原理不同)，等电子束发射后，经过中间有孔的阳极、聚焦和偏转等基本相同。两种枪都是安装在工艺位置上，即熔炼室的炉盖上。

磁场内的电子偏转是借助电磁场影响射束电子的运动方向，此效应是射束电子聚焦及偏转的基础，类似于透镜对光束的效应(光学)。射束电子沿着磁场强度增强，则电子偏转增大、另一方面沿着电子速度增高(即加速电压增高时)，则电子偏转衰弱。

EH800V型热阴极电子枪发射电子束的构造和原理

EH800V型热阴极电子枪就是传统意义上的皮尔斯枪，构造如图1所示。

阴极装置 阴极装置由一个旋转对称的三电极系统组成，三电极系统发射电子并带有一个离子采集管。三电极系统组成：(1)实心阴极(在高压电负极上)，间接加热；(2)聚焦电极(在高压电负极上)；(3)阳极(在接地线上)。一根阴极金属丝安装在实心阴极后，用于实现间接加热。

阴极腔和中间腔 阴极腔和中间腔是两个腔体。阴极腔是产生电子束的真空腔。阴极接头和阳极均安装在此腔内，它包括高压电馈电装置和电子束传输透镜(即上聚焦)。中间腔在阴极腔和板式阀之间。

板式阀 在偏转腔和中间腔之间有一个板式阀，它用于在需要保养时对电子枪和熔炼室各自单独通气，并对腔体进行单独抽空，以已形成不同的基本压力。在阴极腔和中间腔与熔炼室之间起到隔离真空压力的作用。

偏转腔 用于工艺位置上的电子束进行静态和动态偏转。它包括偏转系统和电子束调节透镜2(即下聚焦)。偏转腔和熔炼室是连通的。

腔盖 腔盖用于固定、移动和冷却阴极接头，并组成可调阴极，它可以翻转。俗称为阴极头。

流阻 两个流阻用于保证腔体之间有效的压力隔离。它们分别位于透镜1和透镜2区域内，采用水冷却。它们将电子束包围住，即使在运行条件不利的情况下，也能最大程度降低电子束的能量损失。

温度感应器 三个小型温度感应器用于测量整个枪体的温度差。温度感应器通过升高的温度确定电子束在两个透镜上的聚焦状态，冷却水温度升高，流过流阻，感应器可发出信号关闭电子束，避免枪体被击穿。

EH800V型热阴极电子枪发射电子束的原理：阴极金属丝被加热，发射出的电子轰击实心阴极并将其加热到电子束发射的温度。达到此温度后，实心阴极发射出会聚束电子，在强大的电磁场作用下，会聚束电子加速运动至阳极。电子束穿过阳极孔到达透镜1(电子束传输透镜)，无能量损失。通过调整透镜1电流，可以改变电子枪内部电子束的聚焦状态。透镜2(电子束调节透镜)用于调节熔炼室内所需要的电子束功率密度。穿过透镜2之后，电子束进入偏转系统内，电子束按照工艺要求产生相应的偏转角度。

GGF450型冷阴极电子枪发射电子束的构造和原理

GGF450型冷阴极电子枪直热式，因为它在工作时需要充入气体，也称为气体放电式电子枪。因为它是直热式，不需要间接加热，所以它的构造没有EH800V型热阴极电子枪复杂，它的构造图比较简单，如图2所示。

阴极装置 阴极装置包括阴极，阴极冷却水管，高压电馈电接口等安装在一起，整个可以拆下来，更换阴极，俗称为阴极头。阴极为铝合金的实心阴极，体积比EH800V型热阴极电子枪的实心阴极大的多。

阳极装置 GGF450型冷阴极电子枪的阳极跟EH800V型热阴极电子枪相比，造型相似，但体积比较大，有自己独立的冷却水路，直接安装在电子束导管上。

真空系统 在阴阳极之间有一管路连接有真空管阀及真空计，测量电子枪真空度。此电子枪和熔炼室共用一套真空系统，不对枪体进行单独抽空。对电子枪保养时，需要整个熔炼炉破除真空以后才能进行。

聚焦和扫描(偏转)系统 上下2个聚焦线圈和1个偏转线圈安装在电子束导管(相当于阻流器)，实现对电子束的传输、调节和扫描的控制。

GGF450型冷阴极电子枪发射电子束的原理：启动电子枪时，通入工作气体——高纯氢气，氢气在直流高压下发生辉光放电，在辉光放电条件下产生的等离子体发射通过阴极电位降区域的电场加速、轰击铝合金阴极，不断轰击达到最小逸出功时，金属电子就会克服金属表面对它的束缚力，从阴极表面逸出，产生二次电子，在两极电场的加速作用下，形成了一个通过阳极中间的孔传人聚焦和扫描系统的会聚的电子束。通过第一个聚焦线圈的磁场形成一个近似圆柱的电子束，没有功率量损耗。然后，通过第二个聚焦线圈的磁场改变电子束直射受热面积。通过偏转线圈进行特定工艺的电子书扫描。

在操作铝合金冷阴极电子束枪的过程中，当氢气流量足够大、阴极达到一定温度后，电流很难提升时，为电子枪枪室提供混合工作气体(按一定比例混合氢气和氧气)，氧气离子在电场中加速，轰击阴极，起到清洁阴极表面的作用，从而提升电流。

两种电子枪真空系统对比

电子枪在启动、工作过程中，整个枪体内都必须处于真空状态、，但是这两种枪形成真空状态的方式却截然不同。

EH800V型热阴极电子枪真空系统

EH800V型热阴极电子枪是一个封闭式的电器工作空间。钨阴极必须由钨丝加热才能逸出电子束，不能受残余气体离子的影响，即防止辉光放电现象。此电子枪有两个腔室组成，分别抽空，包括阴极室和中间室扩散泵，以及它们共用的粗抽真空和维持泵。

阴极腔和中间腔分别抽真空，达到并保持稳定后：熔炼室：Pr＜5 Pa；阴极腔室：Pk＜10-5Pa；中间腔室：Pz＜10-4Pa，使高压电设备进入发射状态，并一直保持到熔炼结束。

GGF450型冷阴极电子枪真空系统

GGF450型冷阴极电子枪不是一个封闭式的电器工作空间，它和熔炼室是直通的，和整个熔炼炉共用一套抽空泵组。启动时需要产生辉光放电，因此它的真空度要求不是很高，达到低真空(1.3 Pa以上)就可以，并一直保持到熔炼结束。

两种电子枪电源系统对比

EH800V型热阴极电子枪电源

EH800V型热阴极电子枪有三个电源：

(1) 阴极金属丝加热电源，单相交流电源，电压为10 V。

(2) 实心阴极加热(轰击)电源，直流电源，电压为14 kV，正极接在阴极上，负极接在阴极金属丝上。

(3) 电子束射束(电子束加速)电源，也称主电源，是直流高压电源，电压为50 kV，采用负高压接法，输出端的负极接在阴极上，正极接在阳极上，为了安全，阳极和结晶器接地线上。

GGF450型冷阴极电子枪电源

GGF450型冷阴极电子枪阴极不需要间接加热，所以只有一个电压为30 kV的直流高压主电源，来完成辉光放电、轰击铝合金阴极和电子束加速，也采用负高压接法(通过逆变升压变压器获得)，输出端的负极接在阴极上，正极接在阳极上。为了安全，阳极和结晶器接地线上。

影响两种电子束电流的因素对比

由于电子束是阴极发射热电子而形成的，故加热温度的高低对电子发射影响很大。另外，阴极材料不同，电子逸出功的大小也不同，因此电子逸出功对电子发射也有影响。对于确定的阴极材料，当温度一定时，阴极单位面积上发射的电流达到一定值后就处于饱和状态，即电流密度达到最大值，这个最大值称为饱和电流密度。饱和电流密度与阴极加热温度和电子逸出功有关，加热温度高，电子逸出功小，饱和电流密度就大。理想的阴极材料是电子逸出功小而工作温度高。钨电子逸出功是4.52 eV，熔点为3380 ℃；铝电子逸出功是4.2 eV，虽然铝的熔点为660 ℃，但是GGF450型冷阴极电子枪阴极直接用冷却水冷却，也能承受高温，而且铝阴极廉价。

电子枪工作时，如果发射的电子束的电流密度没有达到饱和状态，这时的的电流密度与电压的3/2次方成正比关系。当发射电流密度没有达到饱和状态时，电子枪的阴极发射电流I与阴阳极间电压U的3/2次方成正比，导流系数K是与阴极的曲率半径和阴阳极之间的几何形状有关的系数，一般来说，阴极球面的曲率半径大，阴阳极之间的距离小，K值大，因而电流也大。导流系数是衡量电子枪性能的重要参数，它能反映出电子枪的设计水平和性能好坏。

EH800V型热阴极电子枪和GGF450型冷阴极电子枪阴极曲率半径和阴阳极之间的距离如表所示：

表1 EH800V型热阴极电子枪和GGF450型冷阴极电子枪相关参数

GGF450型冷阴极电子枪阴极曲率半径比EH800V型热阴极电子枪大的多，但EH800V型热阴极电子枪阴阳极之间的距离可以通过可调阴极进行调节。两种枪实际照片如图3所示。

综上所述，两种电子枪电子束电流密度有以下特点：

(1) 阴极材料的电子逸出功愈小，电流密度愈大，GGF450型冷阴极电子枪铝合金阴极逸出功愈较小；

(2) 阴极材料的加热温度愈高，电流密度愈大，虽然两种枪阴极都在加热，但是EH800V型热阴极电子枪是间接加热，加热温度恒定，阴极温度更高，相对来说电流密度更大；

(3) 电流密度与电压的3/2次方成正比，电压升高，电流增大，EH800V型热阴极电子枪电压更高一些；

图3 EH800V型热阴极电子枪和GGF450型冷阴极电子枪阴极

(4) 阴极与阳极的几何形状和相对位置，都是影响导流系数的因素，导流系数愈大，电流密度也愈大。GGF450型冷阴极电子枪铝合金阴极曲率半径比EH800V型热阴极电子枪大的多，但EH800V型热阴极电子枪阴阳极之间的距离可以通过可调阴极进行调节，因此它们的导流系数各有所长。

两种电子枪的功率对比

电子枪的输出功率，等于电子束的加速电压和电子束电流两者的乘积。导流系数是评价电子枪设计与加工品质的重要参数，表明了电子枪施加某一加速电压时所获得的电子束电流和功率值。

EH800V型热阴极电子枪功率

电子束的功率可以通过以下3个参数中的一个进行修改，其他2个参数保持不变。

(1) 加速电压(最高为55 kV)

(2) 实心阴极的温度(高达2600 ℃左右)

(3) 阴极与阳极之间的间距(功率10%~20%之间调整)

GGF450型冷阴极电子枪功率

电子束的功率可以通过以下3个参数进行修改。不过电压为最高，电流升高时，水温也会升高，超过560 ℃时，要想办法往下降，以免烧坏阴极。一般电子枪稳定时，只改变电流。

(1) 加速电压(最高为30 kV)

(2) 电流(调整通入的混合工作气体，最高为15 A，一般到达不了，危险且难以控制)

(3) 阴极的冷却水温度(调节阴极温度，最高为50 ℃左右)

两种电子枪运行的稳定性对比

EH800V型热阴极电子枪稳定性

(1) 阴极间接加热，加热温度恒定，阴极发射电子更稳定；

(2) 电子枪有独立的抽空系统，而且阴极腔和中间腔分别抽真空，因此电子枪真空度不受熔炼室的真空度及影响；

(3) 阴极阴极球面的曲率半径小，受熔炼室中挥发物和喷溅物的影响相对较小；

(4) 电子枪装有三个小型温度感应器和观察孔，测量整个枪体的温度差，而且通过观察孔可以观察到电子束。，冷却水温度升高，流过流阻，感应器可发出信号关闭电子束，避免了被击穿，保证了电子束枪稳定运行。

GGF450型冷阴极电子枪稳定性

(1) 阴极直接加热，只是用冷却水调节阴极温度，加热温度不稳定，阴极发射的电子也不稳定；

(2) 电子枪没有独立的抽空系统，因此电子枪真空度受熔炼室及其他部件的真空度影响，会影响电子枪的平稳运行；

(3) 阴极球面的曲率半径大，很容易受熔炼室中挥发物和喷溅物的影响；

(4) 电子枪没有温度感应器和观察孔，只能流出的冷却水的温度判断枪体各个部件的运行温度，尤其是电子束导管，操作不当或观察不仔细，很容易被击穿，中断熔炼。

两种电子枪维护周期对比

电子枪维护周期主要是指运行一段时间后，枪体内由于氧化、受挥发物和喷溅物等的影响，需要清理维护，还有阴极使用寿命到期后更换。具体如2表所示：

表2 EH800V型热阴极电子枪和GGF450型冷阴极电子枪维护周期

EH800V型热阴极电子枪400~600 h的维护周期，主要是板式阀和与熔炼室之间是直接连通的，密封、阀板等很容易受挥发物和喷溅物等的污染，必须定时进行清理。

GGF450型冷阴极电子枪100~150 h的维护周期，主要是由于氧化和受挥发物和喷溅物等的污染，需要用砂纸打磨清理，清理安装之后继续熔炼，它的厚度如表1和图4所示，有40 mm较厚，因此阴极使用寿命较长。

两种电子枪生产的钛锭质量对比

采用工业纯海绵钛进行熔炼，3150kWB MO-01和4800 kWB MO-02型两台EB经GGF450型冷阴极电子枪和EH800V型热阴极电子枪一次熔炼各生产两块钛铸锭，生产的钛锭牌号都是TA1，将生产的钛锭称为GGF450型冷阴极电子枪生产钛锭和EH800V型热阴极电子枪生产钛锭，以便于区分。

表3 EH800V型热阴极电子枪生产钛锭化学成分(质量分数)%

表4 GGF450型冷阴极电子枪生产钛锭化学成分(质量分数)%

化学成分对比

2个铸锭熔炼化学成分，下面分别列表加以比较。钛锭分别取锭头、中间部位和锭尾取样分析。

通过以上2个表的对比，EH800V型热阴极电子枪稳定性好，生产的钛锭化学成分比较均匀；而GGF450型冷阴极电子枪容易受阴极温度、真空度、挥发物和喷溅物的影响，电流变化较大，钛液的流动性很容易受影响，因此化学成分变化较大。

表面质量及金相组织对比

◆ 表面质量

铸锭的表面质量和熔化速度、功率、拉锭速度有关，铸锭的表面缺陷主要有：冷隔、瘤疤、皮下气孔等。通过超声波探测发现，EH800V型热阴极电子枪生产的钛锭表面质量比GGF450型冷阴极电子枪生产的钛锭要好，表面缺陷较少，这是因为EH800V型热阴极电子枪功率大而且稳定，熔化速度和拉锭速度均匀，没有出现金属钛液断流或忽大忽小现象。

◆ 金相组织对比

图4和图5是EH800V型热阴极电子枪和GGF450型冷阴极电子枪生产的钛锭经横向开，经过磨光腐蚀后得到的低倍照片。

从两张钛锭低倍照片可以看出，EH800V型热阴极电子枪生产的钛锭和GGF450型冷阴极电子枪生产的钛锭都有较大的等轴晶区，且和柱状晶区共存，但是EH800V型热阴极电子枪生产的钛锭金相组织更为均匀一些，而GGF450型冷阴极电子枪生产的钛锭较多、较大的等轴晶较多，柱状晶区不是很明显。这是因为两种电子枪在凝固期间是以自然对流的方式流入结晶器内，结晶器附近熔体受到强烈的激冷作用而形成大量形核，形成无方向性的表面等轴晶组织，晶粒互相连接而构成温度低凝固壳层，凝固转为柱状晶由外向里的生长，表面激冷晶粒不再发展，EH800V型热阴极电子枪生产的钛锭较大，而GGF450型冷阴极电子枪生产的钛锭较小，更有利于冷却有关。

图4 EH800V型热阴极电子枪生产的钛锭低倍照片

图5 GGF450型冷阴极电子枪生产的钛锭低倍照片

结论

(1) EH800V型热阴极电子枪阴极间接加热，加热温度恒定、有独立的抽空系统、阴极球面的曲率半径小受挥发物和喷溅物的影响相对较小，因此电子枪运行更稳定；电子束的功率可以通过加速电压、实心阴极的温度、阴极与阳极之间的间距三个参数进行调整；另外，装有观察孔和三个小型温度感应器，和测量整个枪体的温度差，感应器可发出信号关闭电子束，避免了枪体被击穿。

(2) GGF450型冷阴极电子枪使用铝合金阴极、体积相对较小、只使用一个电源、不需要间接加热和抽真空、因此造价更经济；另外，具有工作真空度较低、能耗低，铝合金阴极阴极逸出功小、曲率半径大、导流系数大和使用寿命较长等优点。

(3) EH800V型热阴极电子枪稳定性好，生产的钛锭化学成分和金相组织比较均匀一些。

(4) 实现大功率电子枪国产化，可在这两种电子枪的基础上，取长补短，相信会制造出更加经济完美的大功率电子枪。

[1] B.E .Paton, M.P.Trygub, S.V.Akhonin. Electron Beam Melting of Titanium, Zirconium and Their Alloys. Beijing: China Machine Press，2014:133

[2] 马宏声. 钛及难熔金属真空熔炼. 长沙：中南大学出版社，2010:106

[3] 莫畏. 钛. 北京：冶金工业出版社，2008: 371