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1、基于Marx發(fā)生器的高壓脈沖電子束源的設(shè)計(jì)古亮陳龍尹澤龍孫軍重慶理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院摘要：針對當(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題。該束源主要包括d詠沖磁場發(fā)生模塊、陽極潘寧放電模塊、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，具有電壓等級高、體積小、材料表面處理透入深等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：Ma
2、rx發(fā)牛.器;電子束源;陰極;高電壓;目前，電子束裝置己廣泛應(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。但由于我國電子束發(fā)展較慢，大部分設(shè)備只能從國外進(jìn)U,其價(jià)格貴且使用效果不佳。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，提高電子束表而改性效果，脈沖功率技術(shù)成為當(dāng)前研宂的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)［1-2］。當(dāng)前電子?xùn)c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)流研究所開發(fā)的6un直徑人束斑強(qiáng)流電子束的加速電壓僅30kV
3、,對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)雜等問題位1。提出了一種基于Marx發(fā)生器、STC12C5A60S2單片機(jī)的高壓脈沖電子?xùn)c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)，可冇效的解決的傳統(tǒng)電子束裝置所存在的問題。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：脈沖磁場發(fā)生模塊、陽極潘寧放電模塊、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。脈沖磁場發(fā)生
4、模塊通過電容放電，放電電流在亥姆霍茲線圈屮產(chǎn)土較均勻磁場。陽極潘寧放電模塊在陽極與靶材之間產(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?？刂颇K主要負(fù)責(zé)控制磁場發(fā)生、陽極潘寧放電、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A的真空度，以達(dá)到電子束產(chǎn)生的條件。圖1強(qiáng)流電子?xùn)c源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖下載原圖在整個(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T是加速電壓脈
5、沖持續(xù)時(shí)間￡11。電子束能景密度公式為:可以得出電子束的能量密度是由加速電壓VaE(t)和電子束電流Ib⑴來決定。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)向磁場與陽極潘寧放電產(chǎn)生的等離子通道的配合下，形成高壓脈沖電子束。2.1Marx發(fā)生器工作原理緊湊型Marx發(fā)生器的結(jié)構(gòu)簡單，具有電壓高、體積小等特點(diǎn)。其原理圖如圖2所示。其屮C為儲能電容器，K:為可控觸發(fā)開關(guān)，其余級開關(guān)為自擊穿開關(guān)，R為充電電阻。充電過程中，充電電源的能
6、量由主電容及限流電阻所吸收，其充電時(shí)的充電公式為：其中，U為電容兩端電壓，U0為電源電壓。在充電過程中，電容電壓幅值的改變與充電常數(shù)T有關(guān)。Marx發(fā)生器的輸出電壓IU與其電容充電電壓U成正比關(guān)系，即UQUt=nUG1。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)開關(guān)K:導(dǎo)通，主電容C1和匕進(jìn)行串聯(lián)放電，使得自觸發(fā)火花開關(guān)K2兩端電壓差為2U。，超過其擊穿電壓Ue,則第二級自觸發(fā)火花開關(guān)導(dǎo)通。同理可得第三級開關(guān)兩端節(jié)點(diǎn)電壓也會(huì)變?yōu)?U。，使其導(dǎo)通包1。以此類推并最終可形成與Mar
7、x發(fā)生器自身電容級數(shù)成正比的高壓脈沖。其建立時(shí)間一般從納秒到微秒級不等。圖2Marx發(fā)生器原理圖下載原圖2.2電容器的選擇Marx發(fā)生器通過多級電容器并聯(lián)充電、串聯(lián)放電來產(chǎn)生所需要的電壓。綜合考慮高電壓、環(huán)境問題、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)稱容量3000PF，額定電壓±30kV，可在-10°>55°溫度下長時(shí)間工作。電容器在正常大氣條件下兩引線間絕緣電阻大于2X10Q,兩引線間可承受1.5倍額定直流工作電壓丑無擊穿和飛弧現(xiàn)象。2.3Ma
8、rx發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于此類強(qiáng)流電子束需要較高的輸出電壓，根據(jù)Marx級數(shù)與電壓輸出效率的關(guān)系曲線以及從安全性能等因素考慮U1，采用20級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)，第一級電容承受較大的電壓，此級電容采用4個(gè)同型號的CB80電容組成第一級耐壓電容組，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500kQ的電阻。開關(guān)部分包括兩類開關(guān)：（1）球間隙觸發(fā)開關(guān)（第一級開關(guān)GJ;（2）自擊穿火花開關(guān)（其余級開關(guān)）。第一級開關(guān)
