一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法，其高压加速电源单元的负端通过限流电阻连接到间热式电子枪的钨针，气体放电调节电路的负端连接到铝阴极，栅极电压调节电路的负端连接到栅极，气体放电调节电路与栅极电压调节电路的正端分别通过电阻连接到一点，并与钨针处于同电位，气体放电调节电路输出电压可以调节钨针的热发射状态，栅极电压调节电路输出电压用于调节通过栅极孔的电子量，高压加速电源单元用于调节通过栅极孔到达阳极电子的速度。本发明专利技术所述电源装置的电路数量减少，设计制造成本得以降低；简化了电源装置的拓扑电路，降低电源装置的设计难度；有利于提高电源装置的抗干扰能力。提高电源装置的抗干扰能力。提高电源装置的抗干扰能力。

【技术实现步骤摘要】
一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法


[0001]本专利技术属于电子枪
，具体涉及一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法。

技术介绍

[0002]电子束加工技术在航空航天、兵器等国防工业领域及民用工业领域得到了广泛应用。近年来电子束加工技术的发展更加迅猛，尤其是在电子束增材制造
的发展成就令世人瞩目，相应的电子束增材制造装备技术也得到了快速发展。
[0003]电子束增材制造装备包括电子束选区熔化增材制造装备和电子束熔丝沉积增材制造装备，近年来，为了满足航空航天等国防工业领域大型复杂金属结构快速制备的需求，无论是电子束选区熔化增材制造装备，还是电子束熔丝沉积增材制造装备，都要求其电子束源能够长期稳定工作，并且对其工作过程中的可靠性要求更高。
[0004]现有的电子束增材制造装备的电子束源一般采用直热式电子枪或间热式电子枪，直热式电子枪通常采用片状灯丝，通过灯丝加热电源直接加热灯丝发射电子，并由栅极电源调控束流，以及采用加速电源加速电子；间热式电子枪通常需要采用灯丝加热电源输出电流加热蚊香盘状或螺旋状灯丝，并在灯丝和阴极之间施加由轰击电源产生的轰击电压，使灯丝产生电子轰击阴极再发射电子，所发射的通过栅极孔到达阳极的电子数量由栅极电源施加到栅极上的电压决定，栅极和阳极之间施加了由加速电源输出的负高压，将产生静电场，所述静电场使通过栅极孔的电子加速。
[0005]直热式电子枪在大功率束流输出时，要求灯丝加热电源输出电流很大，一般需要达到数十安培，这对高压传输、灯丝加热电源的设计提出了苛刻要求；间热式电子枪虽然在大功率束流输出时灯丝加热电源输出电流不大，但是要求轰击电源提供的轰击电流很大，轰击电流大，容易导致阴极(钨块)击穿，使束流无法正常输出，且高压电缆至少是四芯导体才能满足需求；常规间热式电子枪的电源至少需要灯丝加热电源、轰击电源、栅极(偏压)电源、加速电源才能满足电子束流正常输出的需求，因此常规间热式电子枪的电源设计制造技术难度大、束流调控方式繁琐，且难度较大。
[0006]现有电子束增材制造的电子枪，无论是采用直热式电子枪还是间热式电子枪，都是有灯丝存在，即使是采用特殊工艺处理的灯丝，无论是哪一种结构，在电子束增材制造高金属蒸气污染的恶劣真空环境下长期使用，都不可避免的存在阴极寿命有限，长期使用易出现阴极变形导致束流品质变差的问题，继而影响到大型金属结构增材制造的质量。鉴于当前航空航天领域对大型复杂金属结构电子束增材制造的迫切需求，研发一种工作电压高、阴极寿命长、束斑小、电子束能量密度高的电子枪势在必行。针对上述问题，在深入研究常用电子枪电子激发模式的基础之上，结合现有间热式电子枪与冷阴极气体放电电子枪技术的优点，专利技术了一种基于气体放电的间热式电子枪，所述电子枪中工作气体放电产生的等离子体中的正离子轰击铝阴极，铝阴极发射二次电子，二次电子被铝阴极和钨针构成的静电场加速并轰击钨针，将动能转化成热能，加热钨针，使钨针达到热发射状态发射电子，
并通过栅极负电压调控钨针发射电子束流大小，继而通过栅极与阳极构成的高压电场加速电子，其中阳极接地。因此，如何设计一种针对于上述间热式电子枪的、可以通过气体放电激发电子并调控电子发生量及加速电子的电源装置成为亟待解决的问题。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：针对现有技术中存在的问题，本专利技术公开了一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法。
[0008]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种间热式电子枪的电源装置，包括高压加速电源单元、主控制单元、气体放电调节电路、栅极电压调节电路、信号转化电路、隔离供电电路和光纤组，其中：
[0010]所述高压加速电源单元的正输出端连接束流取样电阻R3的第一端，束流取样电阻R3的第二端接地，并与真空室联接；
[0011]所述高压加速电源单元的负输出端连接限流电阻R0的第一端，限流电阻R0的第二端连接钨针，限流电阻R0的第二端连接分压电阻R4的第一端，分压电阻R4的第二端连接采样电阻R5的第一端，采样电阻R5的第二端连接所述高压加速电源单元的正输出端，采样电阻R5的第一端和第二端均连接主控制单元，所述主控制单元还连接高压加速电源单元和隔离供电电路；
[0012]所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R1的第一端，分压电阻R1的第二端连接气体放电调节电路的正输出端，所述气体放电调节电路的负输出端连接铝阴极，所述气体放电调节电路连接信号转化电路；
[0013]所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R2的第一端，分压电阻R2的第二端连接栅极电压调节电路的正输出端，所述栅极电压调节电路的负输出端连接栅极，所述栅极电压调节电路连接信号转化电路；
[0014]所述限流电阻R0的第二端连接隔离供电电路的负输出端，所述隔离供电电路的第一输出端连接气体放电调节电路、栅极电压调节电路，所述隔离供电电路的第二输出端连接信号转化电路；
[0015]所述信号转化电路通过光纤组连接主控制单元。
[0016]优选的，所述高压加速电源单元包括第一整流电路、第一逆变电路、倍压整流电路、第一PWM调节电路和第一升压变压器；其中：
[0017]所述第一整流电路的输入端连接三相380V交流电，所述第一整流电路的输出端连接第一逆变电路的输入端，第一逆变电路的输出端连接第一升压变压器的输入端，第一升压变压器的输出端连接倍压整流电路的输入端，倍压整流电路的正输出端作为高压加速电源单元的正输出端，倍压整流电路的负输出端作为高压加速电源单元的负输出端，第一PWM调节电路连接第一逆变电路和主控制单元。
[0018]优选的，所述主控制单元包括DSP主控与第一PID调节电路、第一压/频及频/压信号转化电路、第一光纤信号接收端子、第二光纤信号接收端子、第三光纤信号接收端子、第一光纤信号发射端子、第二光纤信号发射端子和第四光纤信号接收端子；其中：
[0019]所述DSP主控与第一PID调节电路连接第一压/频及频/压信号转化电路，第一压/频及频/压信号转化电路连接第一光纤信号接收端子、第二光纤信号接收端子、第三光纤信
号接收端子、第四光纤信号接收端子的输出端以及第一光纤信号发射端子、第二光纤信号发射端子的输入端；
[0020]所述DSP主控与第一PID调节电路连接高压加速电源单元以及采样电阻R5的第一端和第二端，第一压/频及频/压信号转化电路连接隔离供电电路，第一光纤信号接收端子、第二光纤信号接收端子、第三光纤信号接收端子、第四光纤信号接收端子的输入端以及第一光纤信号发射端子、第二光纤信号发射端子的输出端分别通过光纤连接信号转化电路。
[0021]优选的，所述隔离供电电路包括第二整流电路、第二逆变电路、隔离变压器、隔离整流电路、第二PID调节电路、第二PWM调节电路、第二霍尔电流传感器、和第二霍尔电压传感器；所述隔离变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组；其中：
[0022]所述第二整流电路的输入端连接三相380V交流电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，包括高压加速电源单元(1)、主控制单元(2)、气体放电调节电路(3)、栅极电压调节电路(4)、信号转化电路(5)、隔离供电电路(7)和光纤组(8)，其中：所述高压加速电源单元(1)的正输出端连接束流取样电阻R3的第一端，束流取样电阻R3的第二端接地，并与真空室(11)联接；所述高压加速电源单元(1)的负输出端连接限流电阻R0的第一端，限流电阻R0的第二端连接钨针(122)，限流电阻R0的第二端连接分压电阻R4的第一端，分压电阻R4的第二端连接采样电阻R5的第一端，采样电阻R5的第二端连接所述高压加速电源单元(1)的正输出端，采样电阻R5的第一端和第二端均连接主控制单元(2)，所述主控制单元(2)还连接高压加速电源单元(1)和隔离供电电路(7)；所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R1的第一端，分压电阻R1的第二端连接气体放电调节电路(3)的正输出端，所述气体放电调节电路(3)的负输出端连接铝阴极(121)，所述气体放电调节电路(3)连接信号转化电路(5)；所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R2的第一端，分压电阻R2的第二端连接栅极电压调节电路(4)的正输出端，所述栅极电压调节电路(4)的负输出端连接栅极(123)，所述栅极电压调节电路(4)连接信号转化电路(5)；所述限流电阻R0的第二端连接隔离供电电路(7)的负输出端，所述隔离供电电路(7)的第一输出端连接气体放电调节电路(3)、栅极电压调节电路(4)，所述隔离供电电路(7)的第二输出端连接信号转化电路(5)；所述信号转化电路(5)通过光纤组(8)连接主控制单元(2)。2.根据权利要求1所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述高压加速电源单元(1)包括第一整流电路(101)、第一逆变电路(102)、倍压整流电路(103)、第一PWM调节电路(104)和第一升压变压器(105)；其中：所述第一整流电路(101)的输入端连接三相380V交流电，所述第一整流电路(101)的输出端连接第一逆变电路(102)的输入端，第一逆变电路(102)的输出端连接第一升压变压器(105)的输入端，第一升压变压器(105)的输出端连接倍压整流电路(103)的输入端，倍压整流电路(103)的正输出端作为高压加速电源单元(1)的正输出端，倍压整流电路(103)的负输出端作为高压加速电源单元(1)的负输出端，第一PWM调节电路(104)连接第一逆变电路(102)和主控制单元(2)。3.根据权利要求2所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述主控制单元(2)包括DSP主控与第一PID调节电路(20)、第一压/频及频/压信号转化电路(200)、第一光纤信号接收端子(201)、第二光纤信号接收端子(202)、第三光纤信号接收端子(203)、第一光纤信号发射端子(204)、第二光纤信号发射端子(205)和第四光纤信号接收端子(206)；其中：所述DSP主控与第一PID调节电路(20)连接第一压/频及频/压信号转化电路(200)，第一压/频及频/压信号转化电路(200)连接第一光纤信号接收端子(201)、第二光纤信号接收端子(202)、第三光纤信号接收端子(203)、第四光纤信号接收端子(206)的输出端以及第一光纤信号发射端子(204)、第二光纤信号发射端子(205)的输入端；所述DSP主控与第一PID调节电路(20)连接高压加速电源单元(1)以及采样电阻R5的第
一端和第二端，第一压/频及频/压信号转化电路(200)连接隔离供电电路(7)，第一光纤信号接收端子(201)、第二光纤信号接收端子(202)、第三光纤信号接收端子(203)、第四光纤信号接收端子(206)的输入端以及第一光纤信号发射端子(204)、第二光纤信号发射端子(205)的输出端分别通过光纤连接信号转化电路(5)。4.根据权利要求3所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述隔离供电电路(7)包括第二整流电路(71)、第二逆变电路(72)、隔离变压器(73)、隔离整流电路(74)、第二PID调节电路(75)、第二PWM调节电路(76)、第二霍尔电流传感器(77)、和第二霍尔电压传感器(78)；所述隔离变压器(73)包括原边绕组(731)、第一副边绕组(732)和第二副边绕组(733)；其中：所述第二整流电路(71)的输入端连接三相380V交流电，所述第二整流电路(71)的输出端连接第二逆变电路(72)的输入端，第二逆变电路(72)的输出端连接隔离变压器的原边绕组(731)，隔离变压器的第一副边绕组(732)连接隔离整流电路(74)的输入端，隔离整流电路(74)的输出端作为隔离供电电路(7)的第一输出端，隔离变压器的第二副边绕组(733)作为隔离供电电路(7)的第二输出端；第二霍尔电流传感器(77)采集第二逆变电路(72)的输出电流并将其发送到第二PID调节电路(75)；第二霍尔电压传感器(78)采集隔离整流电路(74)的输出电压即第一隔离电压反馈电信号并将其发送到信号转化电路(5)；第二PID调节电路(75)连接第二PWM调节电路(76)和主控制单元(2)，第二PWM调节电路(76)连接第二逆变电路(72)。5.根据权利要求4所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述气体放电调节电路(3)包括第三逆变电路(301)、第三升压变压器(302)、第三整流电路(303)、第三霍尔电流传感器(304)、第三霍尔电压传感器(305)、第三PID调节电路(306)和第三PWM调节电路(307)；其中：所述第三逆变电路(301)的输入端连接隔离供电电路(7)的第一输出端，第三逆变电路(301)的输出端连接第三升压变压器(302)的输入端，第三升压变压器(302)的输出端连接第三整流电路(303)的输入端，第三整流电路(303)的负输出端作为气体放电调节电路(3)的负输出端，第三整流电路(303)的正输出端作为气体放电调节电路(3)的正输出端，第三霍尔电流传感器(304)采集第三整流电路(303)的正输出端的电流即第一气体放电电流反馈电信号并将其输入到第三PID调节电路(306)和信号转化电路(5)，第三霍尔电压传感器(305)采集第三整流电路(303)的输出端电压即第一气体放电电压反馈电信号并将其输入第三PID调节电路(306)和信号转化电路(5)，第三PID调节电路(306)连接第三PWM调节电路(307)和信号转化电路(5)，第三PWM调节电路(307)连接第三逆变电路(301)。6.根据权利要求5所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述栅极电压调节电路(4)包括第四逆变电路(401)、第四升压变压器(402)、第四整流电路(403)、第四霍尔电流传感器(404)、第四霍尔电压传感器(405)、第四PID调节电路(406)和第四PWM调节电路(407)；其中：所述第四逆变电路(401)的输入端连接隔离供电电路(7)的第一输出端，第四逆变电路(401)的输出端连接第四升压变压器(402)的输入端，第四升压变压器(402)的输出端连接第四整流电路(403)的输入端，第四整流电路(403)的负输出端作为栅极电压调节电路(4)的负输出端，第四整流电路(403)的正输出端作为栅极电压调节电路(4)的正输出端，第四
霍尔电流传感器(404)采集第四整流电路(403)的正输出端的电流并将其输入到第四PID调节电路(406)，第四霍尔电压传感器(405)采集第四整流电路(403)的输出端电压即第一栅极电压反馈电信号并将其输入第四PID调节电路(406)和信号转化电路(5)，第四PID调节电路(406)连接第四PWM调节电路(407)和信号转化电路(5)，第四PWM调节电路(407)连接第四逆变电路(401)。7.根据权利要求6所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述信号转化电路(5)包括第二压/频及频/压信号转化电路(500)、第三光纤信号发射端子(501)、第四光纤信号发射端子(502)、第五光纤信号发射端子(503)、第五光纤信号接收端子(504)、第六光纤信号接收端子(505)、第六光纤信号发射端子(506)、供电整流电路(507)和DC/DC变换电路(508)；其中：所述供电整流电路(507)的输入端连接隔离供电电路(7)的第二输出端，供电整流电路(507)的输出端连接DC/DC...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，
申请(专利权)人：南京晟源企业管理合伙企业有限合伙，
类型：发明
国别省市：