基于Marx發生器的高壓脈沖電子束源的設計

重慶理工大學電氣與電子工程學院 古 亮 陳 龍 尹澤龍 孫 軍

基于Marx發生器的高壓脈沖電子束源的設計

重慶理工大學電氣與電子工程學院 古 亮 陳 龍 尹澤龍 孫 軍

針對當前30KV的電子束發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,設計了一種基于Marx發生器的高壓脈沖電子束源.建立以Marx發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:脈沖磁場發生模塊、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.

Marx發生器;電子束源;陰極;高電壓

目前,電子束裝置已廣泛應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展較慢,大部分設備只能從國外進口,其價格昂貴且使用效果不佳.隨著脈沖功率技術的發展,為了能夠降低電子束裝置成本,提高電子束表面改性效果,脈沖功率技術成為當前研究的一個熱點技術[1-2].

當前電子束存在著陰極電壓幅值不高,從而導致表面處理時透入深度太淺,降低了電子束源的使用效果.例如俄羅斯西伯利亞強流研究所開發的6cm直徑大束斑強流電子束的加速電壓僅30kV,對普通鋼材等的表面處理透入深度僅在數微米范圍,遠不及激光表面處理的鋼材透入深度.針對傳統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、束源結構雜等問題[3].提出了一種基于Marx發生器、STC12C5A60S2單片機的高壓脈沖電子束源系統.此電子束源具有高電壓、小體積、低故障放電率等特點,可有效的解決的傳統電子束裝置所存在的問題.

1 系統設計方案

電子束源主要由5個部分構成:脈沖磁場發生模塊、陽極潘寧放電模塊、陰極放電模塊、控制模塊、真空模塊.整體系統結構如圖1所示.脈沖磁場發生模塊通過電容放電,放電電流在亥姆霍茲線圈中產生較均勻磁場.陽極潘寧放電模塊在陽極與靶材之間產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陰極點火,使其放電,形成最終的高能電子束打靶.控制模塊主要負責控制磁場發生、陽極潘寧放電、陰極強流電子束之間的觸發時序.真空模塊主要負責控制真空腔內的真空度,以達到電子束產生的條件.

圖1 強流電子束源系統結構圖

在整個系統中,電子束的能量密度是決定材料表面處理時的關鍵.其公式計算總電子束能量為:

其中τ是加速電壓脈沖持續時間[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)來決定.因此陰極放電模塊是整個電子束源的核心所在.

2 陰極放電模塊

陰極采用緊湊型Marx發生器直接驅動陰極二極管,在脈沖導向磁場與陽極潘寧放電產生的等離子通道的配合下,形成高壓脈沖電子束.

2.1 Marx發生器工作原理

緊湊型Marx發生器的結構簡單,具有電壓高、體積小等特點.其原理圖如圖2所示.其中C為儲能電容器,K1為可控觸發開關,其余級開關為自擊穿開關,R為充電電阻.

充電過程中,充電電源的能量由主電容及限流電阻所吸收,其充電時的充電公式為:

Marx發生器的輸出電壓Uout與其電容充電電壓U成正比關系,即Uout=nU[5].其工作原理為電容器并聯充電,串聯放電.當充電完成后,可控觸發開關K1導通,主電容C1和C2進行串聯放電,使得自觸發火花開關K2兩端電壓差為2U0,超過其擊穿電壓UG,則第二級自觸發火花開關導通.同理可得第三級開關兩端節點電壓也會變為2U0,使其導通[6].以此類推并最終可形成與Marx發生器自身電容級數成正比的高壓脈沖.其建立時間一般從納秒到微秒級不等.

圖2 Marx發生器原理圖

2.2 電容器的選擇

Marx發生器通過多級電容器并聯充電、串聯放電來產生所需要的電壓.綜合考慮高電壓、環境問題、可靠性等條件,選擇CB80高壓電容器.CB80可用于電子設備的倍壓等直流脈沖電路,其標稱容量3000PF,額定電壓±30kV,可在-10°~+55°溫度下長時間工作.電容器在正常大氣條件下兩引線間絕緣電阻大于2X105Ω,兩引線間可承受1.5倍額定直流工作電壓且無擊穿和飛弧現象.

2.3 Marx發生器結構設計

由于此類強流電子束需要較高的輸出電壓,根據Marx級數與電壓輸出效率的關系曲線以及從安全性能等因素考慮[7],采用20級Marx.Marx發生器的結構如圖3所示.

當Marx發生器進行放電時,第一級電容承受較大的電壓,此級電容采用4個同型號的CB80電容組成第一級耐壓電容組,該電容組由電容兩兩并聯后再進行串聯,以增大該耐壓能力和整體穩定性.充電電阻和接地電阻為500kΩ的電阻.開關部分包括兩類開關:①球間隙觸發開關(第一級開關G1);②自擊穿火花開關(其余級開關).第一級開關為球間隙觸發開關與自擊穿火花開關并聯,球間隙觸發開關控制整個發生器的觸發時間,與其并聯的火花開關可有效的分攤沖擊電流對球間隙觸發開關的損耗.各級自擊穿火花開關放置于同一光路上,前一級開關導通時產生的紫外線可以有效的對下一級開關產生預電離的效果.Marx發生器腔內需通入氮氣,氣壓不大于0.4MPa,以保證工作腔內的絕緣性.

圖3 Marx發生器結構圖

2.4 Marx發生器脈沖驅動設計

Marx發生器首級采用球間隙可控觸發,其脈沖驅動采用光敏電阻和雙向觸發二極管DB3配合控制的三電極開關驅動器.其脈沖開關驅動器電路圖如圖4所示.三極管采用鍺三極管,其導通電壓低,相較于硅三極管來說工作效率更高,可采用1.5V的電源對其供電.三繞組變壓器采用E型5*7的鐵芯,L1、L2采用直徑為0.17mm高強度漆包線繞制,其匝數分別為30匝和60匝,L3采用直徑為0.06mm高強度漆包線繞制1500匝.可通過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為亮電阻時,電阻變小的特性,從而控制三極管的工作狀態以及雙相觸發二極管DB3的導通.最后通過DB3觸發晶閘管的導通,將C2電容器中儲存的能量釋放出來,經過脈沖變壓器T2輸出一個高壓脈沖,從而控制Marx發生器第一級球間隙開關的導通.

圖4 脈沖開關驅動器電路原理圖

圖5 真空模塊操作流程圖

3 真空模塊

電子束源系統對設備工作腔內的真空度要求較高,需機械泵、前級泵以及渦輪分子泵配合運作使工作腔內的氣壓達到約6X10-3Pa才可進行電子束發生操作.工作時首先使用機械泵對真空腔進行預抽,當真空壓力為2.5Pa時,打開前級泵、渦輪分子泵繼續對工作腔內進行降壓抽真空操作,直到達到約為6X10-3Pa.然后向工作腔內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調脈沖磁場發生模塊、陽極潘寧放電模塊、陰極放電模塊三者之間的精確的觸發時序.通過整體考慮功耗、精度、耐用度等指標,采用系統頻率為12MHz的STC-12C5A60S2單片機進行設計.STC12C5A60S2單片機為時鐘/機器周期(1T)的單片機,內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM以及8路高速10位A/D轉換,其指令代碼不僅可以完全兼容傳統8051,而且在速度上得到了極大的提升[8],具有高速、低功耗、超強抗干擾的特性.使用軟件延時的"_nop_"函數,可達到微秒級延時,足以滿足所需控制時間.

工作時向真空腔內充填工作氣體并達到最佳壓力范圍之后.當磁場達到最大值(時間為T1)之后,一個5kV脈沖被施加至陽極,此時陽極潘寧放電就啟動.當陽極潘寧放電形成密度為(3~8)X1012cm-3的陽極等離子體柱,經過T3時間的延遲,啟動陰極觸發放電并最終形成強流電子束.放電時序如圖6所示.

圖6 放電時序圖

圖7 磁場電源電路原理圖

5 脈沖磁場發生模塊

磁場部分采用亥姆霍茲線圈提供勻強磁場.利用一對相同的載流線圈,平行且共軸放置于真空腔外部.線圈間距要求與線圈半徑相等.當通以同方向電流時,兩線圈內部可視為勻強磁場.其中心磁場強度為:

其中,μ0為真空磁導率,N為線圈匝數,I為線圈通過電流,R為線圈半徑[9].

亥姆霍茲線圈選用Φ2.0mm高壓絕緣漆包線.磁場電源電壓約為1.5~2kV.電源電路如圖7所示.在模塊工作時,向亥姆霍茲線圈中通電,在真空腔內部產生較穩定的勻強磁場,為陽極潘寧放電做準備(見圖7).

6 陽極潘寧放電模塊

該模塊主要作用是通過在圓環陽極兩端放置兩個相對的陰極,由于磁場模塊已在工作腔內形成軸向勻強的磁場,當對陽極施加高電壓時,工作腔內的氣體就會產生自持放電,在陰極與靶材之間產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,以達到陰極電子束加速發射所需要的環境[10].

潘寧陽極為的圓環.該圓環安置于磁場線圈之間,其體心與亥姆霍茲線圈的體心在同一軸線上.潘寧陽極的供電電源電壓等級約為5kV.電源電路如圖8所示.

圖8 陽極潘寧放電電路原理圖

7 結束語

文中設計了一種基于Marx發生器的強流電子束源,主要用于材料表面處理.該電子束源采用Marx發生器直接驅動陰極二極管,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.并且由于Marx發生器體積較小,減小了電子束源裝置整體的體積,降低成本.通過軟件解決的各模塊之間的精準配合,保證了強流電子束源的質量.

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