一种脉冲型大束斑电子束发生装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种脉冲型大束斑电子束发生装置，属于材料表面改性技术领域。该装置由高压脉冲功率电源、时序控制电路、电子枪及真空室组成。在真空室达到工作压强后，通过高压脉冲功率电源的放电时序控制，电子枪体内形成磁场约束等离子体阳极放电，电子枪阴、阳极之间形成等离子体通道，阴极上施加高压负脉冲，形成阴极表面电子发射，获得大束斑的脉冲型电子束。本发明专利技术提供的装置可产生加速电压２０～３５ｋＶ，脉冲持续时间２～４μｓ，束斑面积Φ６０ｍｍ，重复频率０．１Ｈｚ的电子束，束斑平均能量密度为１～６Ｊ／ｃｍ↑［２］，还具有设计合理、结构简单和自动化程度高等优点，适用于材料表面改性处理技术的研究与应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料表面改性
，涉及到一种脉冲型大束斑电子束发生装置。
技术介绍
材料科学是人类社会发展的重要支柱之一。随着现代科学技术的进步，对材料的性能提 出更高要求，材料科学面临新的挑战。疲劳、磨损和腐蚀是工程材料的三种主要失效方式， 它们都与材料表面状态密切相关，如化工容器和管道的腐蚀、刀具与模具的耐磨性、机械零 部件的疲劳裂纹在表面萌生等，提高这些材料使用性能的关键在于改善其表面性能。材料表面改性技术是材料科学研究的一个重要分支，它是在不改变基体材料的成分，不 削弱基体材料的力学性能基础上，采用物理或化学手段在基体表面制备具有特定功能的改性 层，以提高材料的耐热、耐蚀、抗氧化和耐磨损等性能。选择合理的表面改性处理方法，可 以在较少的技术和资金投入的情况下，显著提升产品的服役性能和使用寿命。当前，载能束材料表面改性技术发展迅速，并在表面工程领域显示出独特优势，得到人 们的广泛重视和研究。利用载能束可以实现多种表面处理工艺，究其本质，就是利用载能束 的能量冲击作用在材料表层产生极端处理条件，包括高温、高压和应力冲击作用等，使材料 表层的能量作用区内发生质量分布、化学及力学状态变化，最终获得常规方法难以达到的表 面结构和使用性能。载能束主要包括激光束、离子束和电子束，相比于激光束和离子束，使用电子束进行材 料表面改性处理时具有以下优势(1) 以加速电子为能量载体，与材料表面相互作用时能量转化效率可达到80%，远高于 激光的5 10 %，而且这种高转换效率受到材料表面加工状态的影响很小；(2) 电子对材料的穿透能力远高于离子，所以在等同加速电压下电子束的能量注入深 度要大得多，有利于形成较厚的表面改性层，同时不存在元素注入问题；(3) 电子束加工在真空中进行，可有效避免处理材料表面氧化和污染等问题，真空工 作条件无特殊要求，可利用现有成熟的真空获取技术来实现；(4) 电子束产生过程可借助功率电子器件直接实现电能的转换，中间环节少，设计和 制作过程相对简单易行。如何充分发挥电子束用于材料表面改性的这些优势，开 出合理适用的电子束材料表面改性技术和工艺，关键取决于所使用电子束装置的能量特性和工作方式。就现有的各类电子束装置而言，多数用于焊接、切割加工或蒸发热源，其次是利用电子 与物质相互作用产生材料检测的信号源，再有少部分电子束装置专用于物理特殊效应研究。 少数用于电子束材料表面改性技术探索的电子束装置，也仅是针对特殊处理场合进行原有技 术的简单改装或组合，仍然存在电子束束斑面积小(约lmm2)、电子束流较弱(几百毫安) 、能量输入的控制能力有限、材料热影响区过大等问题。针对电子束材料表面改性的实际应用，首先需要考虑增大电子束的束斑面积，以实现较 大加工面的处理；其次是保证电子束的束流强度，使处理材料表面改性层内获得足够的能量 密度；最后是要引入脉冲工作方式，减少能量向材料基体过度传热，以及加工过程中材料表 面蒸发物质对入射电子束的散射干扰，同时提高能量输入强度和控制的灵活性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种脉冲型大束斑电子束发生装置，克服现有技术中存 在的上述不足。该装置可产生加速电压20 35kV，脉冲持续时间2 4y s，束斑面积①60mm ，重复频率O. 1Hz的电子束，束斑平均能量密度为l 6J/cm2，适用于材料表面改性处理技术 的研究与应用。为了达到上述目的，本专利技术采取的具体技术方案是该脉冲型大束斑电子束发生装置，包括高压脉冲功率电源、时序控制电路、电子枪和真 空室。当真空室内气体压强低于工作气压，通过时序控制电路操作高压脉冲功率电源的开启 动作，分别为电子枪的阴极、等离子体阳极和磁场线圈提供三路各自独立的高压输出，分别 为3kV， 15kV和35kV，其中35kV输出为电子枪阴极9上施加的主脉冲，极性为负，该高压输出 可根据具体处理工艺要求在20 35kV之间进行调节。电子枪的阴极采用压縮石墨纤维材料，等离子体阳极中心设有光阑孔，电子枪的阴极与 等离子体阳极相对设置于电子枪的中心轴线上。磁场线圈由两个平行放置的密绕线圈组成， 为阴极和等离子体阳极之间提供平行于电子枪轴线的约束磁场，两线圈提供的工作磁场极性 一致。等离子体阳极形成的放电等离子体在磁场约束下向电子枪轴向扩展，构成等离子体放 电通道；高压脉冲功率电源施加的高压主脉冲使电子枪阴极表面产生场致发射，发射出来的 电子在磁场约束下向等离子体阳极定向运动形成电子束，穿过等离子体阳极中心光阑口进入 与电子枪连接的真空室，作用于固定在工作台上的工件表面，实现电子束加工处理。本专利技术的有益效果是1) 通过大面积阴极和非聚焦型磁场设计，抑制发射电子的自箍縮效应，电子束斑直径 达到①60mm，可一次实现较大加工面的处理；2) 采用短脉冲、低重复频率的工作方式，减少电子束能量向材料基体过度传热增大变 质区，同时避免了加工过程中材料表面蒸发物质对入射电子束的散射干扰；3) 电子枪阴极加速电压调节范围较宽，且均处于低压范围，可有效避免电子束加工过 程中产生射线辐射污染，保护操作人员安全；4) 设计中采用低电压与大束流相结合的方案，使电子束能量输入集中于处理材料表层 ，瞬时的高功率加热过程可胜任难熔金属及陶瓷类材料的表面改性处理。附图说明附图是本专利技术的一种脉冲型大束斑电子束发生装置示意图。图中l真空室；2工作台；3工件；4电子束；6等离子体阳极； 5磁场线圈；7电子枪；8高压绝缘；9电子枪阴极；IO真空密封；ll高压脉冲功率电源；12时序控制电路。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的具体实施例。如图1所示，按本专利技术制作的一种脉冲型大束斑电子束发生装置，包括高压脉冲功率电源ll、时序控制电路12、电子枪7和真空室1。高压脉冲功率电源l 1为电子枪阴极9、等离子体阳极6和磁场线圈5提供各自独立的高压 输出，分别为3kV， 15kV和35kV，其中35kV输出为电子枪阴极9上施加的主脉冲，极性为负， 该高压输出可根据具体处理工艺要求在20 35kV之间进行调节。时序控制电路12操作高压脉冲功率电源11的开启动作，调整高压脉冲功率电源三路输出 的时序配合。该电路中可以提供状态显示功能，监控高压脉冲功率电源11及时序控制电路12 本身的运行情况。电子枪7与真空室1密封连接。电子枪体由不锈钢材料制成，总长0.5m，内部中心轴线上 安装阴极9和等离子体阳极6，外部设置磁场线圈5。其中，阴极9与等离子体阳极6端面间距 为20 30mm。电子枪阴极9采用压縮石墨纤维材料，制成直径①60mm，厚度15mm片状并嵌入铜质导电 杆中，导电杆通过高压绝缘8和真空密封10从电子枪7端部引出，连接于高压脉冲功率电源 ll的高压主脉冲输出端。等离子体阳极6为不锈钢材质制作，中心位置设有光阑孔，直径为①60mm。等离子体阳极6的工作电压通过绝缘导线和真空密封10从电子枪7端部引出。电子枪7外部设置的磁场线圈5由两个平行放置的密绕线圈组成，两线圈中心距与线圈平 均半径相等，两线圈提供的工作磁场极性一致，提供平行于电子枪7轴线的约束磁场。当磁场线圈采用安匝数(NI)为2500时，电子枪7轴线磁场强度达到15000e，可以对等 离子阳极6放电等离子体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种脉冲型大束斑电子束发生装置，包括高压脉冲功率电源（１１）、时序控制电路（１２）、电子枪（７）和真空室（１），其特征在于：通过时序控制电路（１２）操作高压脉冲功率电源（１１）的开启动作，分别为电子枪（７）的阴极（９）、等离子体阳极（６）和磁场线圈（５）提供三路各自独立的高压输出。等离子体阳极（６）中心设有光阑孔，电子枪（７）的阴极（９）与等离子体阳极（６）相对设置于电子枪（６）的中心轴线上；磁场线圈（５）由两个平行放置的密绕线圈组成，两线圈提供的工作磁场极性一致，为阴极（９）和等离子体阳极（６）之间提供平行于电子枪（７）轴线的约束磁场；等离子体阳极（６）形成的放电等离子体在磁场约束下向电子枪（７）轴向扩展，构成等离子体放电通道；高压脉冲功率电源（１１）施加的高压主脉冲使阴极（９）表面产生场致发射，发射出来的电子在磁场约束下向等离子体阳极（６）定向运动形成电子束（４），穿过等离子体阳极（６）中心光阑口进入与电子枪（７）连接的真空室（１），作用于固定在工作台（２）上的工件（３）表面，实现电子束加工处理；　根据权利要求１所述的一种脉冲型大束斑电子束发生装置，其特征在于，所述的高脉冲功率电源（１１）分别提供３ｋＶ，１５ｋＶ和３５ｋＶ三路各自独立的高压输出；其中３５ｋＶ输出为电子枪阴极（９）上施加的主脉冲，极性为负，该高压输出在２０～３５ｋＶ之间进行调节。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郝胜智，董闯，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]