重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 古 亮 陳 龍 尹澤龍 孫 軍

基于Marx發(fā)生器的高壓脈沖電子束源的設(shè)計(jì)

重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 古 亮 陳 龍 尹澤龍 孫 軍

針對(duì)當(dāng)前30KV的電子束發(fā)生裝置陰極脈沖加速電壓幅值低,材料表面處理透入深度太淺的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于Marx發(fā)生器的高壓脈沖電子束源.建立以Marx發(fā)生器為核心的高壓脈沖電子束源,解決了電子束源陰極電壓幅值較低的問(wèn)題.該束源主要包括:脈沖磁場(chǎng)發(fā)生模塊、陽(yáng)極潘寧放電模塊、陰極放電模塊、控制模塊與真空模塊.此Marx發(fā)生器的高壓脈沖電子束源,具有電壓等級(jí)高、體積小、材料表面處理透入深等特點(diǎn).

Marx發(fā)生器;電子束源;陰極;高電壓

目前,電子束裝置已廣泛應(yīng)用于材料表面改性中,特別是在金屬或者非金屬材料表面改性的科研中.但由于我國(guó)電子束發(fā)展較慢,大部分設(shè)備只能從國(guó)外進(jìn)口,其價(jià)格昂貴且使用效果不佳.隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展,為了能夠降低電子束裝置成本,提高電子束表面改性效果,脈沖功率技術(shù)成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)[1-2].

當(dāng)前電子束存在著陰極電壓幅值不高,從而導(dǎo)致表面處理時(shí)透入深度太淺,降低了電子束源的使用效果.例如俄羅斯西伯利亞強(qiáng)流研究所開(kāi)發(fā)的6cm直徑大束斑強(qiáng)流電子束的加速電壓僅30kV,對(duì)普通鋼材等的表面處理透入深度僅在數(shù)微米范圍,遠(yuǎn)不及激光表面處理的鋼材透入深度.針對(duì)傳統(tǒng)的電子束裝置在材料表面改性中透入深度不高、電子束能量分布不均勻、束源結(jié)構(gòu)雜等問(wèn)題[3].提出了一種基于Marx發(fā)生器、STC12C5A60S2單片機(jī)的高壓脈沖電子束源系統(tǒng).此電子束源具有高電壓、小體積、低故障放電率等特點(diǎn),可有效的解決的傳統(tǒng)電子束裝置所存在的問(wèn)題.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電子束源主要由5個(gè)部分構(gòu)成:脈沖磁場(chǎng)發(fā)生模塊、陽(yáng)極潘寧放電模塊、陰極放電模塊、控制模塊、真空模塊.整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.脈沖磁場(chǎng)發(fā)生模塊通過(guò)電容放電,放電電流在亥姆霍茲線(xiàn)圈中產(chǎn)生較均勻磁場(chǎng).陽(yáng)極潘寧放電模塊在陽(yáng)極與靶材之間產(chǎn)生潘寧放電等離子體,其密度較大,可降低陰極與靶之間的空間等效阻抗.陰極放電模塊通過(guò)控制觸發(fā)陰極點(diǎn)火,使其放電,形成最終的高能電子束打靶.控制模塊主要負(fù)責(zé)控制磁場(chǎng)發(fā)生、陽(yáng)極潘寧放電、陰極強(qiáng)流電子束之間的觸發(fā)時(shí)序.真空模塊主要負(fù)責(zé)控制真空腔內(nèi)的真空度,以達(dá)到電子束產(chǎn)生的條件.

圖1 強(qiáng)流電子束源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在整個(gè)系統(tǒng)中,電子束的能量密度是決定材料表面處理時(shí)的關(guān)鍵.其公式計(jì)算總電子束能量為:

其中τ是加速電壓脈沖持續(xù)時(shí)間[4].

電子束能量密度公式為:

可以得出電子束的能量密度是由加速電壓Vac(t)和電子束電流Ib(t)來(lái)決定.因此陰極放電模塊是整個(gè)電子束源的核心所在.

2 陰極放電模塊

陰極采用緊湊型Marx發(fā)生器直接驅(qū)動(dòng)陰極二極管,在脈沖導(dǎo)向磁場(chǎng)與陽(yáng)極潘寧放電產(chǎn)生的等離子通道的配合下,形成高壓脈沖電子束.

2.1 Marx發(fā)生器工作原理

緊湊型Marx發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,具有電壓高、體積小等特點(diǎn).其原理圖如圖2所示.其中C為儲(chǔ)能電容器,K1為可控觸發(fā)開(kāi)關(guān),其余級(jí)開(kāi)關(guān)為自擊穿開(kāi)關(guān),R為充電電阻.

充電過(guò)程中,充電電源的能量由主電容及限流電阻所吸收,其充電時(shí)的充電公式為:

Marx發(fā)生器的輸出電壓Uout與其電容充電電壓U成正比關(guān)系,即Uout=nU[5].其工作原理為電容器并聯(lián)充電,串聯(lián)放電.當(dāng)充電完成后,可控觸發(fā)開(kāi)關(guān)K1導(dǎo)通,主電容C1和C2進(jìn)行串聯(lián)放電,使得自觸發(fā)火花開(kāi)關(guān)K2兩端電壓差為2U0,超過(guò)其擊穿電壓UG,則第二級(jí)自觸發(fā)火花開(kāi)關(guān)導(dǎo)通.同理可得第三級(jí)開(kāi)關(guān)兩端節(jié)點(diǎn)電壓也會(huì)變?yōu)?U0,使其導(dǎo)通[6].以此類(lèi)推并最終可形成與Marx發(fā)生器自身電容級(jí)數(shù)成正比的高壓脈沖.其建立時(shí)間一般從納秒到微秒級(jí)不等.

圖2 Marx發(fā)生器原理圖

2.2 電容器的選擇

Marx發(fā)生器通過(guò)多級(jí)電容器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電來(lái)產(chǎn)生所需要的電壓.綜合考慮高電壓、環(huán)境問(wèn)題、可靠性等條件,選擇CB80高壓電容器.CB80可用于電子設(shè)備的倍壓等直流脈沖電路,其標(biāo)稱(chēng)容量3000PF,額定電壓±30kV,可在-10°~+55°溫度下長(zhǎng)時(shí)間工作.電容器在正常大氣條件下兩引線(xiàn)間絕緣電阻大于2X105Ω,兩引線(xiàn)間可承受1.5倍額定直流工作電壓且無(wú)擊穿和飛弧現(xiàn)象.

2.3 Marx發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于此類(lèi)強(qiáng)流電子束需要較高的輸出電壓,根據(jù)Marx級(jí)數(shù)與電壓輸出效率的關(guān)系曲線(xiàn)以及從安全性能等因素考慮[7],采用20級(jí)Marx.Marx發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖3所示.

當(dāng)Marx發(fā)生器進(jìn)行放電時(shí),第一級(jí)電容承受較大的電壓,此級(jí)電容采用4個(gè)同型號(hào)的CB80電容組成第一級(jí)耐壓電容組,該電容組由電容兩兩并聯(lián)后再進(jìn)行串聯(lián),以增大該耐壓能力和整體穩(wěn)定性.充電電阻和接地電阻為500kΩ的電阻.開(kāi)關(guān)部分包括兩類(lèi)開(kāi)關(guān):①球間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān)(第一級(jí)開(kāi)關(guān)G1);②自擊穿火花開(kāi)關(guān)(其余級(jí)開(kāi)關(guān)).第一級(jí)開(kāi)關(guān)為球間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān)與自擊穿火花開(kāi)關(guān)并聯(lián),球間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān)控制整個(gè)發(fā)生器的觸發(fā)時(shí)間,與其并聯(lián)的火花開(kāi)關(guān)可有效的分?jǐn)倹_擊電流對(duì)球間隙觸發(fā)開(kāi)關(guān)的損耗.各級(jí)自擊穿火花開(kāi)關(guān)放置于同一光路上,前一級(jí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)產(chǎn)生的紫外線(xiàn)可以有效的對(duì)下一級(jí)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生預(yù)電離的效果.Marx發(fā)生器腔內(nèi)需通入氮?dú)?氣壓不大于0.4MPa,以保證工作腔內(nèi)的絕緣性.

圖3 Marx發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

2.4 Marx發(fā)生器脈沖驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

Marx發(fā)生器首級(jí)采用球間隙可控觸發(fā),其脈沖驅(qū)動(dòng)采用光敏電阻和雙向觸發(fā)二極管DB3配合控制的三電極開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器.其脈沖開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路圖如圖4所示.三極管采用鍺三極管,其導(dǎo)通電壓低,相較于硅三極管來(lái)說(shuō)工作效率更高,可采用1.5V的電源對(duì)其供電.三繞組變壓器采用E型5*7的鐵芯,L1、L2采用直徑為0.17mm高強(qiáng)度漆包線(xiàn)繞制,其匝數(shù)分別為30匝和60匝,L3采用直徑為0.06mm高強(qiáng)度漆包線(xiàn)繞制1500匝.可通過(guò)三繞組的變壓器完成振蕩逆變升壓的功能.利用光敏電阻由暗電阻轉(zhuǎn)為亮電阻時(shí),電阻變小的特性,從而控制三極管的工作狀態(tài)以及雙相觸發(fā)二極管DB3的導(dǎo)通.最后通過(guò)DB3觸發(fā)晶閘管的導(dǎo)通,將C2電容器中儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái),經(jīng)過(guò)脈沖變壓器T2輸出一個(gè)高壓脈沖,從而控制Marx發(fā)生器第一級(jí)球間隙開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通.

圖4 脈沖開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器電路原理圖

圖5 真空模塊操作流程圖

3 真空模塊

電子束源系統(tǒng)對(duì)設(shè)備工作腔內(nèi)的真空度要求較高,需機(jī)械泵、前級(jí)泵以及渦輪分子泵配合運(yùn)作使工作腔內(nèi)的氣壓達(dá)到約6X10-3Pa才可進(jìn)行電子束發(fā)生操作.工作時(shí)首先使用機(jī)械泵對(duì)真空腔進(jìn)行預(yù)抽,當(dāng)真空壓力為2.5Pa時(shí),打開(kāi)前級(jí)泵、渦輪分子泵繼續(xù)對(duì)工作腔內(nèi)進(jìn)行降壓抽真空操作,直到達(dá)到約為6X10-3Pa.然后向工作腔內(nèi)通入所需的工作氣體(氬氣).操作流程如圖5所示.

4 控制模塊

控制模塊主要是用于協(xié)調(diào)脈沖磁場(chǎng)發(fā)生模塊、陽(yáng)極潘寧放電模塊、陰極放電模塊三者之間的精確的觸發(fā)時(shí)序.通過(guò)整體考慮功耗、精度、耐用度等指標(biāo),采用系統(tǒng)頻率為12MHz的STC-12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì).STC12C5A60S2單片機(jī)為時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī),內(nèi)部集成MAX810專(zhuān)用復(fù)位電路,2路PWM以及8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換,其指令代碼不僅可以完全兼容傳統(tǒng)8051,而且在速度上得到了極大的提升[8],具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特性.使用軟件延時(shí)的"_nop_"函數(shù),可達(dá)到微秒級(jí)延時(shí),足以滿(mǎn)足所需控制時(shí)間.

工作時(shí)向真空腔內(nèi)充填工作氣體并達(dá)到最佳壓力范圍之后.當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到最大值(時(shí)間為T(mén)1)之后,一個(gè)5kV脈沖被施加至陽(yáng)極,此時(shí)陽(yáng)極潘寧放電就啟動(dòng).當(dāng)陽(yáng)極潘寧放電形成密度為(3~8)X1012cm-3的陽(yáng)極等離子體柱,經(jīng)過(guò)T3時(shí)間的延遲,啟動(dòng)陰極觸發(fā)放電并最終形成強(qiáng)流電子束.放電時(shí)序如圖6所示.

圖6 放電時(shí)序圖

圖7 磁場(chǎng)電源電路原理圖

5 脈沖磁場(chǎng)發(fā)生模塊

磁場(chǎng)部分采用亥姆霍茲線(xiàn)圈提供勻強(qiáng)磁場(chǎng).利用一對(duì)相同的載流線(xiàn)圈,平行且共軸放置于真空腔外部.線(xiàn)圈間距要求與線(xiàn)圈半徑相等.當(dāng)通以同方向電流時(shí),兩線(xiàn)圈內(nèi)部可視為勻強(qiáng)磁場(chǎng).其中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為:

其中,μ0為真空磁導(dǎo)率,N為線(xiàn)圈匝數(shù),I為線(xiàn)圈通過(guò)電流,R為線(xiàn)圈半徑[9].

亥姆霍茲線(xiàn)圈選用Φ2.0mm高壓絕緣漆包線(xiàn).磁場(chǎng)電源電壓約為1.5~2kV.電源電路如圖7所示.在模塊工作時(shí),向亥姆霍茲線(xiàn)圈中通電,在真空腔內(nèi)部產(chǎn)生較穩(wěn)定的勻強(qiáng)磁場(chǎng),為陽(yáng)極潘寧放電做準(zhǔn)備(見(jiàn)圖7).

6 陽(yáng)極潘寧放電模塊

該模塊主要作用是通過(guò)在圓環(huán)陽(yáng)極兩端放置兩個(gè)相對(duì)的陰極,由于磁場(chǎng)模塊已在工作腔內(nèi)形成軸向勻強(qiáng)的磁場(chǎng),當(dāng)對(duì)陽(yáng)極施加高電壓時(shí),工作腔內(nèi)的氣體就會(huì)產(chǎn)生自持放電,在陰極與靶材之間產(chǎn)生密度較大的等離子體,降低陰極與靶材之間的空間等效阻抗,以達(dá)到陰極電子束加速發(fā)射所需要的環(huán)境[10].

潘寧陽(yáng)極為的圓環(huán).該圓環(huán)安置于磁場(chǎng)線(xiàn)圈之間,其體心與亥姆霍茲線(xiàn)圈的體心在同一軸線(xiàn)上.潘寧陽(yáng)極的供電電源電壓等級(jí)約為5kV.電源電路如圖8所示.

圖8 陽(yáng)極潘寧放電電路原理圖

7 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種基于Marx發(fā)生器的強(qiáng)流電子束源,主要用于材料表面處理.該電子束源采用Marx發(fā)生器直接驅(qū)動(dòng)陰極二極管,從而提高陰極電壓幅值,得到了表面處理透入更深的高壓脈沖電子束改性系統(tǒng).并且由于Marx發(fā)生器體積較小,減小了電子束源裝置整體的體積,降低成本.通過(guò)軟件解決的各模塊之間的精準(zhǔn)配合,保證了強(qiáng)流電子束源的質(zhì)量.

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