CN115831691B - 脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子束选区熔化设备领域，提供了脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法。脉冲激光加热阴极电子枪，包括：激光头、顶盖、壳体、束流导引件、以及设置于所述壳体内绝缘子、第一导电环、第二导电环、阴极、偏压杯、阳极和线圈组件。电子束选区熔化装置，包括激光头位置调控机构、测温单元、真空装置、真空室、高压电源、激光器、控制系统以及上述脉冲激光加热阴极电子枪；束流调控方法，红外测温探头检测的阴极温度作为反馈量，使激光加热阴极形成闭环控制，可实现阴极温度可控调节。本申请提供的装置能够满足大型复杂精密金属构件电子束选区熔化增材制造对电子枪阴极长寿命的需求，降低高压电源设计难度，提高装置整体性能。

Description

脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法

技术领域

本发明涉及电子束选区熔化设备领域，具体而言，涉及脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法。

背景技术

电子束选区熔化增材制造技术可节约2/3以上材料，经济效益显著，因此，美国波音、意大利AVIO及英、俄等公司均采用电子束选区熔化增材制造技术研制航空发动机叶片、火箭发动机喷嘴、运载火箭支撑座等多种复杂结构高性能零件；此外，在医疗领域，采用电子束选区熔化增材制造技术研制的骨植物如钛合金臼杯、椎间盘融合器也得到了广泛应用。

电子束选区熔化增材制造技术的优势在于制造周期短，满足单件个性化定制需求；尤其适用于大型薄壁件、耐高温难熔金属、结构复杂零件的制造。除了在航空航天、医疗领域得到了应用，在石油化工、汽车工业、核工业、海洋船舶等领域，也具有广阔应用前景，在某些场合具有不可替代的优越性，潜在巨大经济效益。

然而常用电子束选区熔化增材制造技术均是采用电流加热阴极发射电子的电子枪装置，通常是直热式三极电子枪结构，用电流直接加热阴极，电流需要达到数十安，提供该电流电源的负输出端需要与电子束的加速电源的输出端处于同电位，使得该电源的设计制造技术难度较大；且在于阴极连接电路上对其加热电流进行检测十分困难，通常在隔离变压器原边对阴极加热电流进行间接采样，无法准确反映阴极工作状态。

灯丝长期大电流加热，容易变形，且受粒子轰击，灯丝损耗大，这将影响到束流品质和阴极使用寿命，难以满足电子束选区熔化增材制造技术对电子束源长期稳定工作的需求。

而激光加热阴极使阴极所处的热发射状态，通常通过模拟仿真，或通过大量试验获取经验参数，实现起来难度大，且不宜操控，大规模推广十分困难。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的包括，提供了一种脉冲激光加热阴极电子枪、选区熔化装置和束流调控方法，旨在改善背景技术提到的至少一种问题。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明提供一种脉冲激光加热阴极电子枪，包括：激光头、顶盖、壳体、束流导引件、以及设置于壳体内绝缘子、第一导电环、第二导电环、阴极、偏压杯、阳极和线圈组件；

顶盖盖设在壳体的顶部；绝缘子设置于壳体内，位于壳体的上部，且其顶端穿透顶盖，绝缘子的中部具有激光束通道，激光束通道由绝缘子的顶端一直延伸至其底端，激光束通道内对应绝缘子的顶部位置设置有透明窗口；

第一导电环和第二导电环均部分嵌入绝缘子内且与激光束通道同轴设置，第一导电环的半径大于第二导电环，第一导电环的底部伸出绝缘子，第二导电环的底部伸出绝缘子；绝缘子内埋设有第一高压电线和第二高压电线，第一高压电线的一端与第一导电环连接，另一端伸出壳体之外；第二高压电线的一端与第二导电环连接，另一端伸出壳体之外；

阴极设置于第二导电环的底端，激光头位于顶盖上方透过透明窗口朝向阴极；

偏压杯具有位于上部的第一腔体，第一导电环和第二导电环伸出绝缘子的部分、以及阴极均位于第一腔体内；

束流导引件设置于壳体的底部，束流导引件具有束流通道，线圈组件套设在束流通道外；阳极设置于束流导引件和线圈组件的上方，且位于偏压杯的下方；偏压杯还具有位于下部的第二腔体，第二腔体朝向阳极；偏压杯上设置有连通第一腔体和第二腔体的第一束流通孔，阳极设置有第二束流通孔，阴极、第一束流通孔、第二束流通孔以及束流通道同轴设置；

壳体的侧壁设置有抽真空装置接口。

在可选的实施方式中，电子枪还包括隔板，隔板设置在阳极和束流导引件之间，隔板上设置有与第二束流通孔连通的第三束流通孔；束流导引件和线圈组件均设置在隔板下方；

偏压杯对应第一腔体的侧壁设置有多个第一衡压孔，每个第一衡压孔用于连通第一腔体和壳体与隔板围成的空间；第二导电环伸出绝缘子的部分的侧壁设置有多个第二衡压孔，每个第二衡压孔用于连通激光束通道和第一腔体；隔板上设置有多个第三衡压孔，每个第三衡压孔用于连通隔板上下的空间。

在可选的实施方式中，绝缘子对应激光束通道的内壁设置有凸环和第一内螺纹，第一内螺纹位于凸环上方，激光束通道内配合第一内螺纹设置有具有外螺纹的透明窗口紧固卡环，透明窗口紧固卡环被夹设在凸环和透明窗口紧固卡环之间；

优选地，绝缘子的顶部伸出顶盖，绝缘子伸出顶盖的部分的外壁通过螺纹连接有第一绝缘子紧固环。在可选的实施方式中，阴极包括碗状的不锈钢托，不锈钢托对应碗口的开口朝向远离阳极的方向；不锈钢托的底部靠近阳极的一侧设置有钨块或六硼化镧块，不锈钢托的外径等于第二导电环的内径。

在可选的实施方式中，电子枪还包括阴极紧固环，第二导电环的底部外壁设置有外螺纹，阴极紧固环具有与第二导电环的底端匹配的环形安装槽，环形安装槽的槽壁设置有与外螺纹匹配的内螺纹，阴极紧固环通过螺纹配合安装到第二导电环的底端后，阴极紧固环的内侧边缘实现对不锈钢托的限位。

在可选的实施方式中，绝缘子具有连接外缘，壳体的上部具有阶梯结构，连接外缘挂设在阶梯结构上，壳体的内壁对应阶梯结构的上方的位置设置有内螺纹，壳体的内壁上配合内螺纹设置有具有外螺纹的第二绝缘子紧固环，连接外缘被第二绝缘子紧固环夹设在和阶梯结构之间；优选地，绝缘子内开设有环形腔体，环形腔体围绕激光束通道设置，环形腔体与连接外缘之上的空间连通形成冷却腔，冷却腔内填充冷却绝缘油。

在可选的实施方式中，线圈组件包括由上至下依次设置的动态聚焦线圈、主聚焦线圈以及高频扫描线圈。

第二方面，本发明提供一种电子束选区熔化装置，包括激光头位置调控机构、测温单元、第一抽真空装置、真空室、第二抽真空装置、高压电源、激光器、控制系统以及如前述实施方式任一项的脉冲激光加热阴极电子枪；

激光头与激光头位置调控机构连接，激光头位置调控机构与控制系统通信连接；

激光头与激光器通过光纤连接，激光器与控制系统通信连接；

测温单元包括测温探头，测温探头设置于顶盖上方用于探测阴极的温度，测温单元与控制系统通信连接；

高压电源与第一高压电线和第二高压电线连接，高压电源与控制系统通信连接；

第一抽真空装置与抽真空装置接口连通，第一抽真空装置与控制系统通信连接；

真空室位于电子枪的下方，真空室与第二抽真空装置连通，第二抽真空装置与控制系统通信连接。

在可选的实施方式中，控制系统内置束流调控程序，束流调控程序具有如步骤一～步骤十六的控制逻辑：

步骤一：调整激光头与透明窗口上表面之间的距离为L₀，使激光焦点处于预设位置；保证测温探头能够监测到阴极的温度；

步骤二：控制系统分别控制第一抽真空装置和第二抽真空装置对电子枪和真空室进行抽真空操作；

当检测真空室和电子枪的真空度达到预设值时停止抽真空，然后进行步骤三，反之则继续进行抽真空操作；

步骤三：控制系统向高压电源发出指令，使施加在第一导电环的偏压U_b处于最大值，使施加在第二导电环的加速电压U_hv达到设定值；

步骤四：控制系统向激光器发出指令进行加热操作：使激光器发射出预设功率W₀、频率f₀、脉冲宽度为D₀的脉冲激光，当连续t₁(0<t₁≤10s)时间内，测温探头检测到阴极温度达到预设电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则，令n₁＝0，W_out＝W₀，执行步骤五；

步骤五：控制系统向激光器发出指令进行输出功率调整操作：令n₂＝n₁+1；增加输出功率，使其达到W_out＝W₀+n₂×(W_e/100)，W_e为激光器的额定功率；

当连续t₂(0<t₂≤10s)时间内，测温探头检测到阴极温度达到预设的电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则检测W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₁＝n₂，则跳转至继续循环执行输出功率调整操作，循环过程n₂逐渐增大；否则，输出报警信号N₁，跳转至步骤十五；

步骤六：在控制系统未设置束流给定I_bg的情况下，检测到束流反馈值I_bf≠0，则表明发生漏束流现象，令n₃＝0，执行步骤七；否则跳转至步骤八；

步骤七：控制系统向激光头位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝增大方向调节操作：令n₄＝n₃+1，将激光焦点的位置设置为L_out＝L₀+n₄×(ΔL/20)，ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₃(0<t₃≤2s)内检测I_bf≠0，且L_out＜L₀+ΔL是否成立，如成立，令n₃＝n₄，则跳转至继续循环执行激光焦点位置朝增大方向调节操作，循环过程n₄逐渐增大；否则检测I_bf＝0是否成立，若成立，则跳转至步骤八；若检测到L_out≥L₀+ΔL成立，则控制系统输出报警信号N₂，跳转至步骤十五；

步骤八：控制系统根据给定的束流I_bg，以及检测到的束流反馈值I_bf，经过PID调节，计算出偏压给定值U_bg，输入到高压电源中，高压电源调整施加在第一导电环的偏压，使电子枪束流输出与给定I_bg一致；

步骤九：设置激光器连续输出脉冲激光，阴极加热温度超过设定温度20℃～50℃后，关闭激光器，关闭时间T₁后重新开启，控制系统记录关闭时刻的输出功率W_out；T₁＝α(βΔT/(f₀×W_out))，其中α、β是通过试验获取的经验参数，ΔT是指在与T₁相同的时间内偏压给定值U_bg不变时，阴极温度增加ΔT；

步骤十：激光器关闭时间T₁结束后，控制系统按照激光器关闭时刻激光器的输出功率W_out重启激光器，激光的频率f₀、脉冲宽度为D₀保持不变，继续加热阴极，以便维持束流稳定持续输出；

步骤十一：当给定的束流I_bg变换时，跳转至步骤十二；

当给定束流I_bg不变时，检测是否有停止信号，没有，则重复步骤八～步骤十一，否则跳转至步骤十六；

步骤十二：控制系统在连续t₄(0<t₄≤2s)内重复调用步骤八，如果I_bg≤I_bf，则重复步骤八～步骤十一；如果I_bg＞I_bf，令n₅＝0，执行步骤十三；

步骤十三：控制系统向激光器发出指令进行增加激光器的输出功率操作：令n₆＝n₅+1；使其达到W_out＝W₀+n₆×(W_e/100)，W_e为激光器的额定功率；

在连续t₅(0<t₅≤2s)内检测I_bg＞I_bf；且W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₅＝n₆，则跳转至继续循环执行增加激光器的输出功率操作，循环过程n₆逐渐增大；否则检测是否为I_bg≤I_bf；且W_out＜W_e；如果条件满足，则重复步骤八～步骤十一；否则，当I_bg＜I_bf；且W_out＝W_e；令L₂＝L_out，n₇＝0，执行步骤十四；

步骤十四：控制系统向激光头位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝减小方向调节操作：令n₈＝n₇+1，将激光焦点的位置设置为L₂＝L_out-n₈×(ΔL/20)，ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₆(0<t₆≤2s)内检测I_bg＞I_bf且L₂＞L₀-ΔL是否成立，如成立，令n₇＝n₈，则跳转至循环执行激光焦点位置朝减小方向调节操作，循环过程n₈逐渐增大；否则检测I_bg≤I_bf且L₂≥L₀-ΔL是否成立，如成立，则重复步骤八～步骤十一；否则检测I_bg＞I_bf且L₂＜L₀-ΔL是否成立，如成立，控制系统输出报警信号N₃，跳转至步骤十五；

步骤十五：控制系统关闭高压电源的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再关闭激光器输出；操作人员根据报警信号种类，进行系统排查，排除故障，确认无误后，跳转至步骤三；

步骤十六：控制系统首先关闭高压电源的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再分别关闭激光器输出、测温单元、激光头位置调控机构；最后，关闭第一抽真空装置和第二抽真空装置；

优选地，ΔL为1mm～5mm、α为0.2～0.8、β为100～1000。

第三方面，本发明提供一种束流调控方法，用于调控如前述实施方式的电子束选区熔化装置的电子束流，包括：

步骤一：调整激光头与透明窗口上表面之间的距离为L₀，使激光焦点处于预设位置；保证测温探头能够监测到阴极的温度；

步骤二：控制系统分别控制第一抽真空装置和第二抽真空装置对电子枪和真空室进行抽真空操作；

当检测真空室和电子枪的真空度达到预设值时停止抽真空，然后进行步骤三，反之则继续进行抽真空操作；

步骤三：控制系统向高压电源发出指令，使施加在第一导电环的偏压U_b处于最大值，使施加在第二导电环的加速电压U_hv达到设定值；

步骤四：控制系统向激光器发出指令进行加热操作：使激光器发射出预设功率W₀、频率f₀、脉冲宽度为D₀的脉冲激光，当连续t₁(0<t₁≤10s)时间内，测温探头检测到阴极温度达到预设电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则，令n₁＝0，W_out＝W₀，执行步骤五；

步骤五：控制系统向激光器发出指令进行输出功率调整操作：令n₂＝n₁+1；增加输出功率，使其达到W_out＝W₀+n₂×(W_e/100)，W_e为激光器的额定功率；

当连续t₂(0<t₂≤10s)时间内，测温探头检测到阴极温度达到预设的电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则检测W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₁＝n₂，则跳转至继续循环执行输出功率调整操作，循环过程n₂逐渐增大；否则，输出报警信号N₁，跳转至步骤十五；

步骤六：在控制系统未设置束流给定I_bg的情况下，检测到束流反馈值I_bf≠0，则表明发生漏束流现象，令n₃＝0，执行步骤七；否则跳转至步骤八；

步骤七：控制系统向激光头位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝增大方向调节操作：令n₄＝n₃+1，将激光焦点的位置设置为L_out＝L₀+n₄×(ΔL/20)，ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₃(0<t₃≤2s)内检测I_bf≠0，且L_out＜L₀+ΔL是否成立，如成立，令n₃＝n₄，则跳转至继续循环执行激光焦点位置朝增大方向调节操作，循环过程n₄逐渐增大；否则检测I_bf＝0是否成立，若成立，则跳转至步骤八；若检测到L_out≥L₀+ΔL成立，则控制系统输出报警信号N₂，跳转至步骤十五；

步骤八：控制系统根据给定的束流I_bg，以及检测到的束流反馈值I_bf，经过PID调节，计算出偏压给定值U_bg，输入到高压电源中，高压电源调整施加在第一导电环的偏压，使电子枪束流输出与给定I_bg一致；

步骤九：设置激光器连续输出脉冲激光，阴极加热温度超过设定温度20℃～50℃后，关闭激光器，关闭时间T₁后重新开启，控制系统记录关闭时刻的输出功率W_out；T₁＝α(βΔT/(f₀×W_out))，其中α、β是通过试验获取的经验参数，ΔT是指在与T₁相同的时间内偏压给定值U_bg不变时，阴极温度增加ΔT；

步骤十：激光器关闭时间T₁结束后，控制系统按照激光器关闭时刻激光器的输出功率W_out重启激光器，激光的频率f₀、脉冲宽度为D₀保持不变，继续加热阴极，以便维持束流稳定持续输出；

步骤十一：当给定的束流I_bg变换时，跳转至步骤十二；

当给定束流I_bg不变时，检测是否有停止信号，没有，则重复步骤八～步骤十一，否则跳转至步骤十六；

步骤十二：控制系统在连续t₄(0<t₄≤2s)内重复调用步骤八，如果I_bg≤I_bf，则重复步骤八～步骤十一；如果I_bg＞I_bf，令n₅＝0，执行步骤十三；

步骤十三：控制系统向激光器发出指令进行增加激光器的输出功率操作：令n₆＝n₅+1；使其达到W_out＝W₀+n₆×(W_e/100)，W_e为激光器的额定功率；

在连续t₅(0<t₅≤2s)内检测I_bg＞I_bf；且W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₅＝n₆，则跳转至继续循环执行增加激光器的输出功率操作，循环过程n₆逐渐增大；否则检测是否为I_bg≤I_bf；且W_out＜W_e；如果条件满足，则重复步骤八～步骤十一；否则，当I_bg＜I_bf；且W_out＝W_e；令L₂＝L_out，n₇＝0，执行步骤十四；

步骤十四：控制系统向激光头位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝减小方向调节操作：令n₈＝n₇+1，将激光焦点的位置设置为L₂＝L_out-n₈×(ΔL/20)，ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₆(0<t₆≤2s)内检测I_bg＞I_bf且L₂＞L₀-ΔL是否成立，如成立，令n₇＝n₈，则跳转至循环执行激光焦点位置朝减小方向调节操作，循环过程n₈逐渐增大；否则检测I_bg≤I_bf且L₂≥L₀-ΔL是否成立，如成立，则重复步骤八～步骤十一；否则检测I_bg＞I_bf且L₂＜L₀-ΔL是否成立，如成立，控制系统输出报警信号N₃，跳转至步骤十五；

步骤十五：控制系统关闭高压电源的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再关闭激光器输出；操作人员根据报警信号种类，进行系统排查，排除故障，确认无误后，跳转至步骤三；

步骤十六：控制系统首先关闭高压电源的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再分别关闭激光器输出、测温单元、激光头位置调控机构；最后，关闭第一抽真空装置和第二抽真空装置；

优选地，ΔL为1mm～5mm、α为0.2～0.8、β为100～1000。

本发明实施例的有益效果包括，例如：

本申请提供的脉冲激光加热阴极电子枪，通过激光头以及壳体内部对应的零部件的配合设计，能实现以脉冲激光对阴极进行加热从而实现电子枪发射电子束，本电子枪相对于现有的电子束选区熔化的电子枪无需灯丝，可以简化电子枪与高压电源连接的高压电缆的结构。

本申请提供的电子束选区熔化装置，由于包括了本申请提供的电子枪，因此该电子束选区熔化装置是通过脉冲激光对阴极进行加热；而测温单元配合控制系统以及其他各单元的具体设置能实现阴极的温度随时能被监控并调节，从而保证阴极保持稳定发热，进而确保选区熔化质量。

本申请提供的束流调控方法，通过测温单元，可以精确判断阴极热发射状态，并将检测温度参数反馈给控制系统，调节激光输出状态，获得阴极热发射状态稳定的效果，满足束流精密调控的需求。

本申请提供的脉冲激光加热阴极电子枪以及电子束选区熔化装置将电子枪阴极的直接电流加热模式改成激光加热，可以在高压电源中不设计灯丝加热电源，将能有效降低高压电源设计制造技术难度，通过控制加热阴极激光的脉冲频率和占空比，或者焦点，将测温探头检测的阴极温度作为反馈量，使激光加热阴极形成闭环控制，可实现阴极温度可控调节，继而控制阴极热发射电子的数量，并配合栅极电压调节，达到束流调控的目的。

本发明提供的电子枪、电子束选区熔化装置能够满足大型复杂精密金属构件电子束选区熔化增材制造对电子枪阴极长寿命的需求，降低高压电源设计难度，提高电子枪和高压电源的整体性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的脉冲激光加热阴极电子枪的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的激光束选区熔化装置的结构示意图；

图3为阴极的结构示意图。

图标：1-电子枪；101-阴极；101a-钨块；101b-不锈钢托；102-偏压杯；102a-第一腔体；102b-第二腔体；103-阳极；104-隔板；105-动态聚焦线圈；106-抽真空装置接口；107-主聚焦线圈；108-高频扫描线圈；109-束流导引件；109a-束流通道；110-上壳体；111-下壳体；112-绝缘子；112a-第一导电环；112b-第二导电环；112c-连接外缘；10-高压电缆；10a-第一高压电线；10b-第二高压电线；114-顶盖；115-透明窗口；116-透明窗口紧固卡环；117-第一绝缘子紧固环；118-绝缘油；119-第二绝缘子紧固环；120-阴极紧固环；131-激光束通道；141-第一束流通孔；142-第二束流通孔；143-第三束流通孔；151-第一衡压孔；152-第二衡压孔；153-第三衡压孔；161-凸环；162-阶梯结构；2-高压电源；3-控制系统；4-激光器；5-红外测温单元；6-真空室；7-激光头；8-Z轴；800-立柱；801-Z轴丝杠；802-水平梁；803-滑块；804-固定轴承A1；805-固定轴承A2；806-Z轴安装基座；807-Z轴伺服电机；9-光纤；11-红外测温探头；12-第一抽真空装置；13-第二抽真空装置；14-伺服电机控制器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的脉冲激光加热阴极101电子枪1，包括：激光头7、顶盖114、壳体、束流导引件109、以及设置于壳体内绝缘子112、第一导电环112a、第二导电环112b、阴极101、偏压杯102、阳极103和线圈组件；

顶盖114盖设在壳体的顶部；绝缘子112设置于壳体内，位于壳体的上部，且其顶端穿透顶盖114，绝缘子112的中部具有激光束通道131，激光束通道131由绝缘子112的顶端一直延伸至其底端，激光束通道131内对应绝缘子112的顶部位置设置有透明窗口115；

本申请实施例提供的脉冲激光加热阴极101电子枪1，通过激光头7以及壳体内部对应的零部件的配合设计，能实现以脉冲激光对阴极101进行加热从而实现电子枪1发射电子束，本电子枪1相对于现有的电子束选区熔化的电子枪1无需灯丝，可以简化电子枪1与高压电源2连接的高压电缆10的结构。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的电子束选区熔化装置100，包括：激光头7位置调控机构、测温单元、第一抽真空装置12、真空室6、第二抽真空装置13、高压电源2、激光器4、控制系统3以及本申请实施例提供的脉冲激光加热阴极101电子枪1。

本申请实施例提供的电子束选区熔化装置100，由于包括了本申请实施例提供的电子枪1，因此该电子束选区熔化装置100是通过脉冲激光对阴极101进行加热；而测温单元配合控制系统3以及其他各单元的具体设置能实现阴极101的温度随时能被监控并调节，从而保证阴极101保持稳定发热，进而确保选区熔化质量。

下面对本申请实施例提供的脉冲激光加热阴极101电子枪1以及电子束选区熔化装置100进行具体描述。

壳体包括通过法兰连接的上壳体110和下壳体111，实现连接的法兰盘外径相同，两个连接法兰之间设置有密封圈。

顶盖114盖设在上壳体110顶部，两者之间设置有密封圈；绝缘子112设置于上壳体110内，且其顶端伸出顶盖114，绝缘子112的中部具有激光束通道131，激光束通道131由绝缘子112的顶端一直延伸至其底端，激光束通道131内对应绝缘子112伸出顶盖114的部分设置有透明窗口115。透明窗口115可以是石英玻璃板。

绝缘子112的中部为筒状结构，该筒状结构的中心为激光束通道131，筒状结构伸出顶盖114，伸出部分高约20mm。

进一步地，顶盖114的边缘与上壳体110的顶部边缘通过法兰连接，两者的外径相同，用于实现顶盖114和上壳体110的密封连接。

优选地，为实现透明窗口115的紧固安装，绝缘子112对应激光束通道131的内壁设置有凸环161和第一内螺纹，第一内螺纹位于凸环161上方，激光束通道131内配合第一内螺纹设置有具有外螺纹的透明窗口紧固卡环116，透明窗口紧固卡环116被夹设在凸环161和透明窗口紧固卡环116之间。

优选地，绝缘子112伸出顶盖114的部分的外壁通过螺纹连接有第一绝缘子紧固环117。即伸出顶盖114的外壁设置有外螺纹，第一绝缘子紧固环117设置有内螺纹，通过螺纹连接实现绝缘子112与顶盖114的相对固定。

优选地，绝缘子112具有连接外缘112c，上壳体110的上部具有阶梯结构162，连接外缘112c挂设在阶梯结构162上，上壳体110的内壁对应阶梯结构162的上方的位置设置有内螺纹，上壳体110的内壁上配合内螺纹设置有具有外螺纹的第二绝缘子紧固环119，连接外缘112c被第二绝缘子紧固环119夹设在和阶梯结构162之间。阶梯结构162和第二绝缘子紧固环119的配合设置，实现绝缘子112与上壳体110的相对固定。连接外缘112c与阶梯结构162之间设置有密封圈。

第一导电环112a和第二导电环112b均部分嵌入绝缘子112内且与激光束通道131同轴设置，第一导电环112a的半径大于第二导电环112b，第一导电环112a的底部伸出绝缘子112，第二导电环112b的底部伸出绝缘子112；绝缘子112内埋设有第一高压电线10a和第二高压电线10b，第一高压电线10a的一端与第一导电环112a连接，另一端伸出上壳体110之外；第二高压电线10b与第二导电环112b连接，另一端伸出上壳体110之外。第一高压电线10a和第二高压电线10b通过集成在高压电缆10内与高压电源2连接。高压电源2对第一导电环112a施加偏压U_b，对第二导电环112b施加加速电压U_hv。

绝缘子112采用环氧树脂浇铸而成，第一导电环112a、第二导电环112b、第一高压电线10a以及第二高压电线10b在绝缘子112浇筑成型过程中预制在其中。第一导电环112a伸出绝缘子112下端面10mm，第二导电环112b伸出绝缘子112下端面5mm。

阴极101与第二导电环112b的底端连接，激光头7位于顶盖114上方透过透明窗口115朝向阴极101。

阴极101包括碗状的不锈钢托101b，不锈钢托101b对应碗口的开口朝向远离阳极103的方向；不锈钢托101b的底部靠近阳极103的一侧设置有钨块101a或六硼化镧块，不锈钢托101b的外径等于第二导电环112b的内径。

阴极101的上述设置，相对于“V”型或丝盘状灯丝结构的阴极101，不易变形，能够长期保障束斑质量。

电子枪1还包括阴极紧固环120，第二导电环112b的底部外壁设置有外螺纹，阴极紧固环120具有与第二导电环112b的底端匹配的环形安装槽，环形安装槽的槽壁设置有与外螺纹匹配的内螺纹，阴极紧固环120通过螺纹配合安装到第二导电环112b的底端后，阴极紧固环120的内侧边缘实现对不锈钢托101b的限位。

上壳体110上还设置有高压电缆10安装座，高压电缆10设置在高压电缆10安装座内用于实现高压电缆10与上壳体110的密封连接。

偏压杯102具有位于上部的第一腔体102a和位于下部的第二腔体102b，偏压杯102的顶部与第一导电环112a连接，第一导电环112a和第二导电环112b伸出绝缘子112的部分、以及阴极101均位于第一腔体102a内。第一腔体102a形状类似于杯体的内腔，第二腔体102b的形状类似于半球状。

优选地，偏压杯102的顶部内壁设置有内螺纹，第一导电环112a的底部外壁设置有外螺纹，偏压杯102与第一导电环112a通过螺纹连接。

优选地，绝缘子112内开设有环形腔体，环形腔体围绕激光束通道131设置，环形腔体与连接外缘112c之上的空间连通形成冷却腔，冷却腔内填充冷却绝缘油118。冷却绝缘油118的设置用于实现绝缘子112和偏压杯102的冷却。

电子枪1还包括隔板104，隔板104设置在下壳体111的顶部，阳极103设置在隔板104的上表面，偏压杯102的第二腔体102b朝向阳极103，第二腔体102b类似于半球状。线圈组件和束流导引件109均设置在隔板104下方，束流导引件109的纵剖面近似于“几”字形，束流导引件109的底部呈圆盘状，扣在下壳体111的底端，与下壳体111的底端边缘法兰连接，下壳体111底端的法兰盘与束流导引件109的圆盘状的底部之间设置有密封圈。束流导引件109具有位于其中部的束流通道109a，线圈组件套设在束流通道109a外。

偏压杯102上设置有连通第一腔体102a和第二腔体102b的第一束流通孔141，阳极103设置有第二束流通孔142，隔板104上设置有与第二束流通孔142连通的第三束流通孔143；阴极101、第一束流通孔141、第二束流通孔142、第三束流通孔143以及束流通道109a同轴设置。上述设置可保证阴极101加热后电子束能够穿过第一束流通孔141、第二束流通孔142、第三束流通孔143和束流通道109a发射出电子枪1。

优选地，第二束流通孔142的孔径略大于第一束流通孔141的孔径，以保证从第一束流通孔141射出的电子能完全通过第二束流通孔142进入到束流通道109a内。

优选地，线圈组件包括由上至下依次设置的动态聚焦线圈105、主聚焦线圈107以及高频扫描线圈108。

激光束通道131、上壳体110围成的空间以及下壳体111围成的空间连通，上壳体110的侧壁或下壳体111的侧壁设置有抽真空装置接口106。

将抽真空装置接口106与抽真空装置(例如真空泵组)连通后，启动抽真空装置后对电子枪1抽真空，使电子枪1内部各个区域气压达到合适值。

优选地，为实现电子枪1内部空间压力均衡，具体结构为：偏压杯102对应第一腔体102a的侧壁设置有多个第一衡压孔151，每个第一衡压孔151用于连通第一腔体102a和壳体与隔板104围成的空间；第二导电环112b伸出绝缘子112的部分的侧壁设置有多个第二衡压孔152，每个第二衡压孔152用于连通激光束通道131和第一腔体102a；隔板104上设置有多个第三衡压孔153，每个第三衡压孔153用于连通隔板104上下的空间。

上述设置可保证电子枪1内部各个区域连通，使得这些区域真空度能保持一致。

优选地，激光头7位置调控机构包括Z轴伺服电机807、伺服电机控制器14、Z轴安装基座806、立柱800、设置在立柱800、Z轴丝杠801、滑块803、以及水平梁802。

激光头7固定于水平梁802上；激光头7与透明窗口115、阴极101同轴安装，水平梁802安装在滑块803上；滑块803安装在Z轴丝杠801上；Z轴丝杠801由固定轴承A1804和固定轴承A2805安装在立柱800上；立柱800固定在Z轴安装基座806上；在Z轴丝杠801上端安装Z轴伺服电机807；Z轴伺服电机807正转、反转，可以带动水平梁802及固定水平梁802上的激光头7上下移动，从而达到调节激光焦距的目的；Z轴伺服电机807由伺服电机控制器14提供的控制信号进行调整转速、方向；而伺服电机控制器14与控制系统3通信连接，根据控制系统3下发的指令对Z轴伺服电机807的转速和方向进行调整，从而实现激光头7在Z轴8上的位置调整。

激光头7通过光纤9与激光器4联接，激光器4与控制系统3通信连接，激光器4的控制信号由控制系统3提供。

测温单元包括测温探头，测温探头设置于顶盖114上方用于探测阴极101的温度，测温单元可以是红外测温单元5，则测温探头为红外测温探头11。测温单元与控制系统3通信连接。测温单位将检测到的阴极101温度信号反馈给控制系统3，控制系统3根据阴极101的温度对激光焦距或激光器4输出功率进行调节。

高压电源2与第一高压电线10a和第二高压电线10b连接，高压电源2与控制系统3通信连接。控制系统3根据电子束选区熔化需求，对高压电源2发出指令，使高压电源2为第一导电环112a和第二导电环112b提供合适电压。

第一抽真空装置12与抽真空装置接口106连通，第一抽真空装置12与控制系统3通信连接。控制系统3在开始进行电子束选区熔化之前，先对电子枪1内部抽真空至合适真空度后再进行电子束选区熔化工作。

真空室6位于电子枪1的下方，真空室6与第二抽真空装置13连通，第二抽真空装置13与控制系统3通信连接。控制系统3在开始进行电子束选区熔化之前，先对真空室6抽真空至合适真空度后再进行电子束选区熔化工作。

进一步地，控制系统3内置束流调控程序，束流调控程序具有如步骤二～步骤十六的控制逻辑。后文对步骤二～步骤十六的控制逻辑进行具体说明。

本申请实施例提供的电子束选区熔化装置100，由于设置有测温单元，通过测温单元的测温探头精确判断阴极101热发射状态，通过在控制系统3内内置束流调控程序，将温度探头探测得到的温度信息及时反馈至控制系统3，通过控制系统3，可及时调节激光输出状态，获得阴极101热发射状态稳定的效果，满足束流精密调控的需求。

本申请实施例还提供了束流调控方法，用于调控本申请提供的子束选区熔化装置的电子束流。包括以下步骤一～十六，步骤一～十六为控制系统3内置束流调控程序的控制逻辑：

步骤一：调整激光头7与透明窗口115上表面之间的距离为L₀，使激光焦点处于预设位置；保证测温探头能够监测到阴极101的温度；

本步骤的具体做法为：将阴极101安装到电子枪1内部，并清理偏压杯102和阳极103；将电子枪1上壳体110和下壳体111密封连接；调整激光头7与透明窗口115之间的距离为L₀，使激光焦点处于预设位置；并且调整设置在透明窗口115上表面附近的红外测温探头11角度，使其能够监测到阴极101温度。

步骤二：控制系统3分别控制第一抽真空装置12和第二抽真空装置13进行抽真空操作，分别对电子枪1和真空室6进行抽真空；

当检测真空室6和电子枪1的真空度达到预设值时停止抽真空，然后进行步骤三，反之则继续进行抽真空操作；

步骤三：控制系统3向高压电源2发出指令，使施加在第一导电环112a的偏压U_b处于最大值，使施加在第二导电环112b的加速电压U_hv达到设定值；

步骤四：控制系统3向激光器4发出指令进行加热操作：使激光器4发射出预设功率W₀、频率f₀、脉冲宽度为D₀的脉冲激光，当连续t₁(0<t₁≤10s)时间内，测温探头检测到阴极101温度达到预设电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则，令n₁＝0，W_out＝W₀，执行步骤五；

步骤五：控制系统3向激光器4发出指令进行输出功率调整操作：令n₂＝n₁+1；增加输出功率，使其达到W_out＝W₀+n₂×(W_e/100)，W_e为激光器4的额定功率；

当连续t₂(0<t₂≤10s)时间内，测温探头检测到阴极101温度达到预设的电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则检测W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₁＝n₂，则跳转至继续循环执行输出功率调整操作，循环过程n₂逐渐增大；否则，输出报警信号N₁，跳转至步骤十五；

例如：在执行步骤五时，在检测之前，n₂为1，检测后阴极101温度未达到电子热发射温度T₀，且W_out＜W_e，则下一步将n₁＝n₂为1带入至输出功率调整操作过程中涉及到的公式n₂＝n₁+1中，即n₂＝1+1＝2，若本次输出功率调整操作后阴极101温度未达到电子热发射温度T₀，且W_out＜W_e，则下一步将n₁＝n₂为2带入至输出功率调整操作过程中涉及到的公式n₂＝n₁+1中，即n₂＝2+1＝3，如此循环。需要说明的是，在下文中涉及到n_x(x为4、6、8)与此处意思相同，后文则不再赘述。

步骤六：在控制系统3未设置束流给定I_bg的情况下，高压电源2内置的束流采样电路检测到束流反馈值I_bf≠0，则表明发生漏束流现象，令n₃＝0，执行步骤七，否则跳转至步骤八；

步骤七：控制系统3向激光头7位置调控机构的伺服控制器下发指令，进行激光焦点位置朝增大方向调节操作：令n₄＝n₃+1，将激光焦点的位置设置为L_out＝L₀+n₄×(ΔL/20)，ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₃(0<t₃≤2s)内检测I_bf≠0，且L_out＜L₀+ΔL是否成立，如成立，令n₃＝n₄，则跳转至继续循环执行激光焦点位置朝增大方向调节操作，循环过程n₄逐渐增大；否则检测I_bf＝0是否成立，若成立，则跳转至步骤八；若检测到L_out≥L₀+ΔL成立，则控制系统3输出报警信号N₂，跳转至步骤十五；

步骤八：控制系统3根据给定的束流I_bg，以及检测到的束流反馈值I_bf，经过PID调节，计算出偏压给定值U_bg，输入到高压电源2中，高压电源2调整施加在第一导电环112a的偏压，使电子枪1束流输出与给定I_bg一致；

步骤九：设置激光器4连续输出脉冲激光，阴极101加热温度超过设定温度20℃～50℃后，关闭激光器4，关闭时间T₁后重新开启，控制系统3记录关闭时刻的输出功率W_out；T₁＝α(βΔT/(f₀×W_out))，其中α、β是通过试验获取的经验参数，ΔT是指在与T₁相同的时间内偏压给定值U_bg不变时，阴极101温度增加ΔT；

激光器4连续输出脉冲激光时间较长，会导致阴极101温度持续增大，阴极101电子热发射能力增强，在偏压给定值U_bg不变时，阴极101温度增加ΔT，则束流会增大ΔI_b；为了保证束流输出稳定，需要将激光器4关闭一段时间T₁后，重新开启；由于阴极101的热惯性，在关闭的这段时间内电子束流将继续输出。

步骤十：激光器4关闭时间T₁结束后，控制系统3按照激光器4关闭时刻激光器4的输出功率W_out重启激光器4，激光的频率f₀、脉冲宽度为D₀保持不变，继续加热阴极101，以便维持束流稳定持续输出；

步骤十一：当给定的束流I_bg变换时，跳转至步骤十二；

当给定束流I_bg不变时，检测是否有控制系统3内置上位机给定的停止信号，没有，则重复步骤八～步骤十一，否则跳转至步骤十六；

步骤十二：控制系统3在连续t₄(0<t₄≤2s)内重复调用步骤八，如果I_bg≤I_bf，则重复步骤八～步骤十一；如果I_bg＞I_bf，令n₅＝0，执行步骤十三；

步骤十三：控制系统3向激光器4发出指令进行增加激光器4的输出功率操作：令n₆＝n₅+1；使其达到W_out＝W₀+n₆×(W_e/100)，W_e为激光器4的额定功率；

在连续t₅(0<t₅≤2s)内检测I_bg＞I_bf；且W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₅＝n₆，则跳转至继续循环执行增加激光器4的输出功率操作，循环过程n₆逐渐增大；否则检测是否为I_bg≤I_bf；且W_out＜W_e；如果条件满足，则重复步骤八～步骤十一；否则，当I_bg＜I_bf；且W_out＝W_e；令L₂＝L_out，n₇＝0，执行步骤十四；

步骤十四：控制系统3向激光头7位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝减小方向调节操作：令n₈＝n₇+1，将激光焦点的位置设置为L₂＝L_out-n₈×(ΔL/20)，ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₆(0<t₆≤2s)内检测I_bg＞I_bf且L₂＞L₀-ΔL是否成立，如成立，令n₇＝n₈，则跳转至循环执行激光焦点位置朝减小方向调节操作，循环过程n₈逐渐增大；否则检测I_bg≤I_bf且L₂≥L₀-ΔL是否成立，如成立，则重复步骤八～步骤十一；否则检测I_bg＞I_bf且L₂＜L₀-ΔL是否成立，如成立，控制系统3输出报警信号N₃，跳转至步骤十五；

步骤十五：控制系统3关闭高压电源2的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再关闭激光器4输出；操作人员根据报警信号种类，进行系统排查，确认无误后，跳转至步骤三；

步骤十六：控制系统3首先关闭高压电源2的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再分别关闭激光器4输出、测温单元、激光头7位置调控机构；最后，按照真空控制逻辑关闭第一抽真空装置12和第二抽真空装置13。

优选地，ΔL为1mm～5mm(例如1mm、2mm、3mm、4mm或5mm)、α为0.2～0.8(例如0.2、0.4、0.6或0.8)、β为100～1000(例如100、200、500、800或1000)。

本申请提供的脉冲激光加热阴极101电子枪1以及电子束选区熔化装置100将电子枪1阴极101的直接电流加热模式改成激光加热，可以在高压电源2中不设计灯丝加热电源，将能有效降低高压电源2设计制造技术难度，通过控制加热阴极101激光的脉冲频率和占空比，或者焦点，将红外测温探头11检测的阴极101温度作为反馈量，使激光加热阴极101形成闭环控制，可实现阴极101温度可控调节，继而控制阴极101热发射电子的数量，并配合栅极电压调节，达到束流调控的目的。

综上，本申请提供的脉冲激光加热阴极101电子枪1，通过激光头7以及上壳体110内部对应的零部件的配合设计，能实现以脉冲激光对阴极101进行加热从而实现电子枪1发射电子束，本电子枪1相对于现有的电子束选区熔化的电子枪1无需灯丝，可以简化电子枪1与高压电源2连接的高压电缆10的结构。

在优选的实施方案中，阴极101结构的具体设计相对于“V”型或丝盘状灯丝结构的阴极101，不易变形，能够长期保障束斑质量。

本申请提供的电子束选区熔化装置100，由于包括了本申请提供的电子枪1，因此该电子束选区熔化装置100是通过脉冲激光对阴极101进行加热；而测温单元配合控制系统3以及其他各单元的具体设置能实现阴极101的温度随时能被监控并调节，从而保证阴极101保持稳定发热，进而确保选区熔化质量。

在优选的实施方案中，控制系统3内置束流调控程序的设计，能实现及时调节激光输出状态，获得阴极101热发射状态稳定的效果，满足束流精密调控的需求。

本发明提供的电子枪1、电子束选区熔化装置100能够满足大型复杂精密金属构件电子束选区熔化增材制造对电子枪1阴极101长寿命的需求，降低高压电源2设计难度，提高电子枪1和高压电源2的整体性能。

本申请提供的束流调控方法，通过测温单元，可以精确判断阴极101热发射状态，并将检测温度参数反馈给控制系统3，调节激光输出状态，获得阴极101热发射状态稳定的效果，满足束流精密调控的需求。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (14)

1.一种脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，包括：

激光头、顶盖、壳体、束流导引件、以及设置于所述壳体内绝缘子、第一导电环、第二导电环、阴极、偏压杯、阳极和线圈组件；

所述顶盖设置在所述壳体的顶部；所述绝缘子设置于所述壳体内，位于所述壳体的上部，且其顶端穿透所述顶盖，所述绝缘子的中部具有激光束通道，所述激光束通道由所述绝缘子的顶端一直延伸至其底端，所述激光束通道内对应所述绝缘子的顶部位置设置有透明窗口；

所述第一导电环和所述第二导电环均部分嵌入所述绝缘子内且与所述激光束通道同轴设置，所述第一导电环的半径大于所述第二导电环，所述第一导电环的底部伸出所述绝缘子，所述第二导电环的底部伸出所述绝缘子；所述绝缘子内埋设有第一高压电线和第二高压电线，所述第一高压电线的一端与所述第一导电环连接，另一端伸出所述壳体之外；所述第二高压电线的一端与所述第二导电环连接，另一端伸出所述壳体之外；

所述阴极设置于所述第二导电环的底端，所述激光头位于所述顶盖上方透过所述透明窗口朝向所述阴极；

所述偏压杯具有位于上部的第一腔体，所述第一导电环和所述第二导电环伸出所述绝缘子的部分、以及所述阴极均位于所述第一腔体内；

所述束流导引件设置于所述壳体的底部，所述束流导引件具有束流通道，所述线圈组件套设在所述束流通道外；所述阳极设置于所述束流导引件和所述线圈组件的上方，且位于所述偏压杯的下方；所述偏压杯还具有位于下部的第二腔体，所述第二腔体朝向所述阳极；所述偏压杯上设置有连通所述第一腔体和所述第二腔体的第一束流通孔，所述阳极设置有第二束流通孔，所述阴极、所述第一束流通孔、所述第二束流通孔以及所述束流通道同轴设置；

所述壳体的侧壁设置有抽真空装置接口。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述电子枪还包括隔板，所述隔板设置在所述阳极和所述束流导引件之间，所述隔板上设置有与所述第二束流通孔连通的第三束流通孔；所述束流导引件和所述线圈组件均设置在所述隔板下方；

所述偏压杯对应所述第一腔体的侧壁设置有多个第一衡压孔，每个所述第一衡压孔用于连通所述第一腔体和所述壳体与所述隔板围成的空间；所述第二导电环伸出所述绝缘子的部分的侧壁设置有多个第二衡压孔，每个所述第二衡压孔用于连通所述激光束通道和所述第一腔体；所述隔板上设置有多个第三衡压孔，每个所述第三衡压孔用于连通所述隔板上下的空间。

3.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述绝缘子对应所述激光束通道的内壁设置有凸环和第一内螺纹，所述第一内螺纹位于所述凸环上方，所述激光束通道内配合所述第一内螺纹设置有具有外螺纹的透明窗口紧固卡环，所述透明窗口紧固卡环被夹设在所述凸环和所述透明窗口紧固卡环之间。

4.根据权利要求3所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述绝缘子的顶部伸出所述顶盖，所述绝缘子伸出所述顶盖的部分的外壁通过螺纹连接有第一绝缘子紧固环。

5.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述阴极包括碗状的不锈钢托，所述不锈钢托对应碗口的开口朝向远离所述阳极的方向；所述不锈钢托的底部靠近所述阳极的一侧设置有钨块或六硼化镧块，所述不锈钢托的外径等于所述第二导电环的内径。

6.根据权利要求5所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述电子枪还包括阴极紧固环，所述第二导电环的底部外壁设置有外螺纹，所述阴极紧固环具有与所述第二导电环的底端匹配的环形安装槽，所述环形安装槽的槽壁设置有与所述外螺纹匹配的内螺纹，所述阴极紧固环通过螺纹配合安装到所述第二导电环的底端后，所述阴极紧固环的内侧边缘实现对所述不锈钢托的限位。

7.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述绝缘子具有连接外缘，所述壳体的上部具有阶梯结构，所述连接外缘挂设在所述阶梯结构上，所述壳体的内壁对应所述阶梯结构的上方的位置设置有内螺纹，所述壳体的内壁上配合所述内螺纹设置有具有外螺纹的第二绝缘子紧固环，所述连接外缘被所述第二绝缘子紧固环夹设在和所述阶梯结构之间。

8.根据权利要求7所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述绝缘子内开设有环形腔体，所述环形腔体围绕所述激光束通道设置，所述环形腔体与所述连接外缘之上的空间连通形成冷却腔，所述冷却腔内填充冷却绝缘油。

9.根据权利要求1所述的脉冲激光加热阴极电子枪，其特征在于，所述线圈组件包括由上至下依次设置的动态聚焦线圈、主聚焦线圈以及高频扫描线圈。

10.一种电子束选区熔化装置，其特征在于，包括激光头位置调控机构、测温单元、第一抽真空装置、真空室、第二抽真空装置、高压电源、激光器、控制系统以及如权利要求1～9任一项所述的脉冲激光加热阴极电子枪；

所述激光头与所述激光头位置调控机构连接，所述激光头位置调控机构与所述控制系统通信连接；

所述激光头与所述激光器通过光纤连接，所述激光器与所述控制系统通信连接；

所述测温单元包括测温探头，所述测温探头设置于所述顶盖上方用于探测所述阴极的温度，所述测温单元与所述控制系统通信连接；

所述高压电源与所述第一高压电线和所述第二高压电线连接，所述高压电源与所述控制系统通信连接；

所述第一抽真空装置与所述抽真空装置接口连通，所述第一抽真空装置与所述控制系统通信连接；

所述真空室位于所述电子枪的下方，所述真空室与所述第二抽真空装置连通，所述第二抽真空装置与所述控制系统通信连接。

11.根据权利要求10所述的电子束选区熔化装置，其特征在于，所述控制系统内置束流调控程序，所述束流调控程序具有如步骤一～步骤十六的控制逻辑：

步骤一：调整激光头与透明窗口上表面之间的距离为L₀，使激光焦点处于预设位置；保证测温探头能够监测到阴极的温度；

步骤二：所述控制系统分别控制所述第一抽真空装置和所述第二抽真空装置对所述电子枪和所述真空室进行抽真空操作；

当检测所述真空室和所述电子枪的真空度达到预设值时停止抽真空，然后进行步骤三，反之则继续进行所述抽真空操作；

步骤三：所述控制系统向所述高压电源发出指令，使施加在所述第一导电环的偏压U_b处于最大值，使施加在所述第二导电环的加速电压U_hv达到设定值；

步骤四：所述控制系统向所述激光器发出指令进行加热操作：使所述激光器发射出预设功率W₀、频率f₀、脉冲宽度为D₀的脉冲激光，当连续t₁(0<t₁≤10s)时间内，所述测温探头检测到所述阴极温度达到预设电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则，令n₁＝0，W_out＝W₀，执行步骤五；

步骤五：所述控制系统向所述激光器发出指令进行输出功率调整操作：令n₂＝n₁+1；增加所述输出功率，使其达到W_out＝W₀+n₂×(W_e/100)，W_e为所述激光器的额定功率；

当连续t₂(0<t₂≤10s)时间内，所述测温探头检测到所述阴极温度达到预设的电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则检测W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₁＝n₂，则跳转至继续循环执行所述输出功率调整操作，循环过程n₂逐渐增大；否则，输出报警信号N₁，跳转至步骤十五；

步骤六：在所述控制系统未设置束流给定I_bg的情况下，检测到束流反馈值I_bf≠0，则表明发生漏束流现象，令n₃＝0，执行步骤七；否则跳转至步骤八；

步骤七：所述控制系统向所述激光头位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝增大方向调节操作：令n₄＝n₃+1，将激光焦点的位置设置为L_out＝L₀+n₄×(ΔL/20)，ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₃(0<t₃≤2s)内检测I_bf≠0，且L_out＜L₀+ΔL是否成立，如成立，令n₃＝n₄，则跳转至继续循环执行所述激光焦点位置朝增大方向调节操作，循环过程n₄逐渐增大；否则检测I_bf＝0是否成立，若成立，则跳转至步骤八；若检测到L_out≥L₀+ΔL成立，则控制系统输出报警信号N₂，跳转至步骤十五；

步骤八：所述控制系统根据给定的束流I_bg，以及检测到的束流反馈值I_bf，经过PID调节，计算出偏压给定值U_bg，输入到所述高压电源中，所述高压电源调整施加在所述第一导电环的偏压，使所述电子枪束流输出与给定I_bg一致；

步骤九：设置所述激光器连续输出脉冲激光，阴极加热温度超过设定温度20℃～50℃后，关闭激光器，关闭时间T₁后重新开启，所述控制系统记录关闭时刻的输出功率W_out；T₁＝α(βΔT/(f₀×W_out))，其中α、β是通过试验获取的经验参数，ΔT是指在与T₁相同的时间内偏压给定值U_bg不变时，阴极温度增加ΔT；

步骤十：所述激光器关闭时间T₁结束后，所述控制系统按照所述激光器关闭时刻激光器的输出功率W_out重启所述激光器，激光的频率f₀、脉冲宽度为D₀保持不变，继续加热所述阴极，以便维持束流稳定持续输出；

步骤十一：当给定的束流I_bg变换时，跳转至步骤十二；

当给定束流I_bg不变时，检测是否有停止信号，没有，则重复步骤八～步骤十一，否则跳转至步骤十六；

步骤十二：所述控制系统在连续t₄(0<t₄≤2s)内重复调用步骤八，如果I_bg≤I_bf，则重复步骤八～步骤十一；如果I_bg＞I_bf，令n₅＝0，执行步骤十三；

步骤十三：所述控制系统向所述激光器发出指令进行增加激光器的输出功率操作：令n₆＝n₅+1；使其达到W_out＝W₀+n₆×(W_e/100)，所述W_e为所述激光器的额定功率；

在连续t₅(0<t₅≤2s)内检测I_bg＞I_bf；且W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₅＝n₆，则跳转至继续循环执行所述增加激光器的输出功率操作，循环过程n₆逐渐增大；否则检测是否为I_bg≤I_bf；且W_out＜W_e；如果条件满足，则重复步骤八～步骤十一；否则，当I_bg＜I_bf；且W_out＝W_e；令L₂＝L_out，n₇＝0，执行步骤十四；

步骤十四：所述控制系统向所述激光头位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝减小方向调节操作：令n₈＝n₇+1，将激光焦点的位置设置为L₂＝L_out-n₈×(ΔL/20)，所述ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₆(0<t₆≤2s)内检测I_bg＞I_bf且L₂＞L₀-ΔL是否成立，如成立，令n₇＝n₈，则跳转至循环执行所述激光焦点位置朝减小方向调节操作，循环过程n₈逐渐增大；否则检测I_bg≤I_bf且L₂≥L₀-ΔL是否成立，如成立，则重复步骤八～步骤十一；否则检测I_bg＞I_bf且L₂＜L₀-ΔL是否成立，如成立，所述控制系统输出报警信号N₃，跳转至步骤十五；

步骤十五：所述控制系统关闭所述高压电源的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再关闭所述激光器输出；操作人员根据报警信号种类，进行系统排查，排除故障，确认无误后，跳转至步骤三；

步骤十六：所述控制系统首先关闭所述高压电源的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再分别关闭所述激光器输出、所述测温单元、所述激光头位置调控机构；最后，关闭所述第一抽真空装置和所述第二抽真空装置。

12.根据权利要求11所述的电子束选区熔化装置，其特征在于，ΔL为1mm～5mm、α为0.2～0.8、β为100～1000。

13.一种束流调控方法，其特征在于，用于调控如权利要求10所述的电子束选区熔化装置的电子束流，包括：

步骤一：调整激光头与透明窗口上表面之间的距离为L₀，使激光焦点处于预设位置；保证测温探头能够监测到阴极的温度；

步骤二：所述控制系统分别控制所述第一抽真空装置和所述第二抽真空装置对所述电子枪和所述真空室进行抽真空操作；

当检测所述真空室和所述电子枪的真空度达到预设值时停止抽真空，然后进行步骤三，反之则继续进行所述抽真空操作；

步骤三：所述控制系统向所述高压电源发出指令，使施加在所述第一导电环的偏压U_b处于最大值，使施加在所述第二导电环的加速电压U_hv达到设定值；

步骤四：所述控制系统向所述激光器发出指令进行加热操作：使所述激光器发射出预设功率W₀、频率f₀、脉冲宽度为D₀的脉冲激光，当连续t₁(0<t₁≤10s)时间内，所述测温探头检测到所述阴极温度达到预设电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则，令n₁＝0，W_out＝W₀，执行步骤五；

步骤五：所述控制系统向所述激光器发出指令进行输出功率调整操作：令n₂＝n₁+1；增加所述输出功率，使其达到W_out＝W₀+n₂×(W_e/100)，W_e为所述激光器的额定功率；

当连续t₂(0<t₂≤10s)时间内，所述测温探头检测到所述阴极温度达到预设的电子热发射温度T₀时，则执行步骤六；否则检测W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₁＝n₂，则跳转至继续循环执行所述输出功率调整操作，循环过程n₂逐渐增大；否则，输出报警信号N₁，跳转至步骤十五；

步骤六：在所述控制系统未设置束流给定I_bg的情况下，检测到束流反馈值I_bf≠0，则表明发生漏束流现象，令n₃＝0，执行步骤七；否则跳转至步骤八；

步骤七：所述控制系统向所述激光头位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝增大方向调节操作：令n₄＝n₃+1，将激光焦点的位置设置为L_out＝L₀+n₄×(ΔL/20)，ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₃(0<t₃≤2s)内检测I_bf≠0，且L_out＜L₀+ΔL是否成立，如成立，令n₃＝n₄，则跳转至继续循环执行所述激光焦点位置朝增大方向调节操作，循环过程n₄逐渐增大；否则检测I_bf＝0是否成立，若成立，则跳转至步骤八；若检测到L_out≥L₀+ΔL成立，则控制系统输出报警信号N₂，跳转至步骤十五；

步骤八：所述控制系统根据给定的束流I_bg，以及检测到的束流反馈值I_bf，经过PID调节，计算出偏压给定值U_bg，输入到所述高压电源中，所述高压电源调整施加在所述第一导电环的偏压，使所述电子枪束流输出与给定I_bg一致；

步骤九：设置所述激光器连续输出脉冲激光，阴极加热温度超过设定温度20℃～50℃后，关闭激光器，关闭时间T₁后重新开启，所述控制系统记录关闭时刻的输出功率W_out；T₁＝α(βΔT/(f₀×W_out))，其中α、β是通过试验获取的经验参数，ΔT是指在与T₁相同的时间内偏压给定值U_bg不变时，阴极温度增加ΔT；

步骤十：所述激光器关闭时间T₁结束后，所述控制系统按照所述激光器关闭时刻激光器的输出功率W_out重启所述激光器，激光的频率f₀、脉冲宽度为D₀保持不变，继续加热所述阴极，以便维持束流稳定持续输出；

步骤十一：当给定的束流I_bg变换时，跳转至步骤十二；

当给定束流I_bg不变时，检测是否有停止信号，没有，则重复步骤八～步骤十一，否则跳转至步骤十六；

步骤十二：所述控制系统在连续t₄(0<t₄≤2s)内重复调用步骤八，如果I_bg≤I_bf，则重复步骤八～步骤十一；如果I_bg＞I_bf，令n₅＝0，执行步骤十三；

步骤十三：所述控制系统向所述激光器发出指令进行增加激光器的输出功率操作：令n₆＝n₅+1；使其达到W_out＝W₀+n₆×(W_e/100)，所述W_e为所述激光器的额定功率；

在连续t₅(0<t₅≤2s)内检测I_bg＞I_bf；且W_out＜W_e是否成立，如成立，令n₅＝n₆，则跳转至继续循环执行所述增加激光器的输出功率操作，循环过程n₆逐渐增大；否则检测是否为I_bg≤I_bf；且W_out＜W_e；如果条件满足，则重复步骤八～步骤十一；否则，当I_bg＜I_bf；且W_out＝W_e；令L₂＝L_out，n₇＝0，执行步骤十四；

步骤十四：所述控制系统向所述激光头位置调控机构下发指令，进行激光焦点位置朝减小方向调节操作：令n₈＝n₇+1，将激光焦点的位置设置为L₂＝L_out-n₈×(ΔL/20)，所述ΔL为试验获取的最佳调整距离；

在连续t₆(0<t₆≤2s)内检测I_bg＞I_bf且L₂＞L₀-ΔL是否成立，如成立，令n₇＝n₈，则跳转至循环执行所述激光焦点位置朝减小方向调节操作，循环过程n₈逐渐增大；否则检测I_bg≤I_bf且L₂≥L₀-ΔL是否成立，如成立，则重复步骤八～步骤十一；否则检测I_bg＞I_bf且L₂＜L₀-ΔL是否成立，如成立，所述控制系统输出报警信号N₃，跳转至步骤十五；

步骤十五：所述控制系统关闭所述高压电源的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再关闭所述激光器输出；操作人员根据报警信号种类，进行系统排查，排除故障，确认无误后，跳转至步骤三；

步骤十六：所述控制系统首先关闭所述高压电源的加速电压U_hv、偏压U_b输出；再分别关闭所述激光器输出、所述测温单元、所述激光头位置调控机构；最后，关闭所述第一抽真空装置和所述第二抽真空装置。

14.根据权利要求13所述的束流调控方法，其特征在于，ΔL为1mm～5mm、α为0.2～0.8、β为100～1000。

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