月球是典型的没有大气的无全球磁场的天体,其表面物质是非导体,在太阳极紫外辐射和空间等离子体作用下发生表面充放电现象,月球表面电位对科学探测以及仪器设备的安全都有重要影响。瞄准我国载人登月计划的保障需求,开展可移动非接触式月球表面电位探测技术实验,能够提供载人登月需要的精确量化的月表电位数据。可移动非接触式月球表面电位探测技术通过主动向月面发射能量可控的电子束,根据反射电子束的有无,反演当地的表面电位。基于上述背景,本文研制了一款低能量远焦距电子枪,可以实现电子束在宽能量范围下发射的精准控制,以及月表复杂背景下反射电子束的精确接收。本文的主要工作包括以下几个方面:1.充分调研月球的空间环境,分析月球车与月球表面电位的关系,确定可移动非接触式月球表面电位探测技术的技术指标。并分析低能远焦电子枪的功能需求,确定电子枪的技术参数,然后设计用于测量月表电位的电子束光路图。2.根据电子枪的工作原理,设计低能远焦电子枪,并针对探测过程中月球车倾斜的情况,设计电子束偏转系统。然后将电子枪、偏转系统和电流收集极装配成非接触式测量探头,探头的结构重量为1kg左右。3.利用离子光学软件SIMION对低能远焦电子枪进行仿真校验,分析电子枪四种工作模式下的性能表现,同时对电子束在月球均匀电场中的反射情况进行仿真。仿真结果表明,电子枪在四种工作模式下收集极接收反射电子的比例都在65%以上,灯丝阴极-非单透镜模式的占比最高,占比在88%到96%之间。然后对电子束偏转系统进行仿真,偏转系统可用的偏转角度在±16.56°左右。然后,对月球车倾斜的情况进行仿真,偏转系统可以适用于月球车倾斜角度为±33.12°左右的地形。4.最后,本文对电子枪样机进行测试。首先利用切束法测量电子束在不同位置的束斑,计算出电子束束腰位置距离电子枪出口距离168mm到183mm之间,并且距离可调。在500mm处的电流较其他位置无衰减,电子枪可实现长距离工作。然后利用静电分析器测量电子束的能量,电子束的能量在50e V到500e V之间,没能全部实现2e V到500e V的设计目标。电子枪能量的相对误差在10%以内,与能量大小相关,电子束能量越低,误差越大。最后,模拟月表非接触电位测量结果表明,不开启地磁屏蔽的情况下,电子枪最低能量为130e V,电位测量结果的相对误差小于6%。因此,可以得出结论,本文设计的低能远焦电子枪能够满足可移动非接触式月球表面电位探测器的需求。