阅读说明：本技术 一种高能电子束源控制系统、方法、装置、零件制作方法 (High-energy electron beam source control system, method and device and part manufacturing method ) 是由 张佳 铁维昊 邓伟锋 何宏伟 付恒 魏莹 于 2020-04-10 设计创作，主要内容包括：本发明属于脉冲功率、太赫兹电子束源技术领域,公开了一种高能电子束源控制系统、方法、装置、零件制作方法,采用伪火花放电脉冲用于驱动伪火花间隙放电,产生高能电子束；获得高能电子束之后,电子束后加速脉冲用于后加速间隙加速电子束,提高电子束能量。包括伪火花放电脉冲、伪火花放电间隙、电子束后加速脉冲三部分,伪火花间隙由空心阴极、中间电极、阳极、后加速间隙和绝缘外壳构成,且各个电极中心有小孔,孔径1-3mm与间隙距离、电极板厚度相等；伪火花间隙伪火花间隙构成一个密封腔体,腔体内气压100Pa一下。本发明可以利用在伪火花放电间隙较小尺寸的情况下获得较高的电子束能量。(The invention belongs to the technical field of pulse power and terahertz electron beam sources, and discloses a high-energy electron beam source control system, method, device and part manufacturing method.A pseudo spark discharge pulse is used for driving a pseudo spark gap to discharge to generate a high-energy electron beam; after obtaining the high-energy electron beam, the post-electron-beam acceleration pulse is used for accelerating the electron beam by the post-acceleration gap, so that the energy of the electron beam is improved. The device comprises a pseudo spark discharge pulse, a pseudo spark discharge gap and an electron beam rear acceleration pulse, wherein the pseudo spark gap is composed of a hollow cathode, a middle electrode, an anode, a rear acceleration gap and an insulating shell, a small hole is formed in the center of each electrode, and the hole diameter is 1-3mm and is equal to the gap distance and the thickness of an electrode plate; the pseudo spark gap forms a sealed cavity, and the air pressure in the cavity is 100 Pa. The invention can utilize the fact that a higher electron beam energy is obtained with a smaller size of the pseudo spark discharge gap.)

一种高能电子束源控制系统、方法、装置、零件制作方法

技术领域

本发明属于脉冲功率、太赫兹电子束源技术领域，尤其涉及一种高能电子束源控制系统、方法、装置、零件制作方法。

背景技术

目前，在近代高新技术的发展进程中，激光束、电子束、离子束(简称为“三束”)技术做出了巨大的贡献，其发挥作用的领域涉及到材料科学、冶金技术以及大规模集成电路、光电子技术、生物技术等方面。随着科学技术的进步，尤其是飞速发展的电子、航空、航天、生物工程、医疗、汽车工业等，对材料或零件的制作工艺、加工精度及使用性能等方面提出越来越高的要求，传统的加工方法已经无法满足生产的需要，而强流带电粒子束技术的发展成功地解决了许多精密加工、材料制备及合成等问题。

电子束源作为电子束材料表面改性设备的核心部件，国际著名公司、研究机构以及知名大学都投入了相当多的技术力量进行相关技术的研究。研究表明，伪火花放电过程中高能电子通过阳极小孔喷射出来，形成高能电子束，适合用于材料表面改性和高功率太赫兹辐射。江兴流等人利用伪火花电子束的烧蚀作用，在低温衬底条件下已经先后制备出氮化硅(Si₃N₄)、氧化锆(ZrO₂)、难熔金属多层膜、纳米硅、纳米钯、金刚石及聚四氟乙烯膜等各种薄膜。现有技术一采用伪火花放电电子束制备出了高温超导YBCO薄膜。现有技术二利用伪火花放电电子束产生太赫兹辐射。以上电子束源均基于直流电压驱动伪火花放电，直流电压下单间隙伪火花放电电压通常不大于35kV。尽管采用多间隙可以提高放电电压，提高电子束能量，但是受电压作用时间的影响，直流放电电压仍然低于脉冲条件下的放电电压。电子束能量仍然较低，电子束能量还有待进一步提高。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术的电子束源基于直流电压驱动伪火花放电，受放电电压的限制，电子束能量仍然较低，电子束能量低。

解决以上问题及缺陷的难度为：增加间隙个数可以提高放电电压，进而提高电子束能量，但是无法从根本上解决这个问题。采用纳秒脉冲驱动多间隙伪火花放电，可以在较少的间隙个数下实现较高的放电电压和电子束能量，进一步通过后加速间隙，可以获得更高能量的电子束。但是仍然存在伪火花放电装置结构设计，纳秒脉冲电源与伪火花放电等离子体阻抗匹配，纳秒脉冲条件下伪火花间隙可靠放电，以及后加速脉冲电源与伪火花放电电源的同步匹配等问题。

解决以上问题及缺陷的意义为：从根本上突破伪火花放电电压低的限制，在较少的伪火花间隙情况下获得较高的放电电压和电子束能量，采用后加速间隙进一步提高电子束能量，真正实现紧凑型高能电子束源。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高能电子束源控制系统、方法、装置、零件制作方法。

本发明是这样实现的，一种高能电子束源控制方法，所述高能电子束源控制方法采用伪火花放电脉冲用于驱动伪火花间隙放电，产生高能电子束；获得高能电子束之后，电子束后加速脉冲用于后加速间隙加速电子束，提高电子束能量。

进一步，所述高能电子束源控制方法包括：

第一步，伪火花放电纳秒脉冲源输出负极性脉冲，通过高压导线作用于伪火花间隙的空心阴极，阳极接地；

第二步，脉冲电压作用到空心阴极后，在伪火花间隙内产生较高的电场；

第三步，电离波从空心阴极向阳极发展，在阳极的小孔外检测到高能电子束，高能电子束进入后加速间隙；同时，电子束后加速脉冲源的后加速脉冲电压作用于后加速间隙，对电子束进行加速，提高电子束能量。

进一步，所述高能电子束源控制方法伪火花放电纳秒脉冲源输出负极性脉冲，通过高压导线作用于伪火花间隙的空心阴极，阳极接地；脉冲电压作用到空心阴极之后，在伪火花间隙内产生较高的电场，伪火花放电的初始电子沿着较长的路径运行，放电集中在电极小孔附近。

进一步，所述高能电子束源控制方法伪火花放电纳秒脉冲源驱动的伪火花放电电压明显高压直流电压。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述高能电子束源控制方法的高能电子束源控制系统，所述高能电子束源控制系统包括：

伪火花放电脉冲电源模块，用于驱动伪火花间隙放电产生高能电子束；

伪火花放电间隙模块，用于实现电子束放电；

电子束后加速脉冲电源模块，用于后加速间隙加速电子束，提高电子束能量。

本发明的另一目的在于提供一种搭载所述高能电子束源控制系统的高能电子束源产生、控制装置，所述高能电子束源产生、控制装置包括：空心阴极、阳极、后加速间隙、伪火花间隙、伪火花放电纳秒脉冲源、电子束后加速脉冲源；

空心阴极与中间间隙连接，中间间隙与阳极连接，组成伪火花间隙，阳极连接有后加速间隙，伪火花放电纳秒脉冲源与空心阴极连接，电子束后加速脉冲源通过高压线与后加速间隙连接。

进一步，所述伪火花间隙包括空心阴极、中间电极、阳极、后加速间隙以及绝缘外壳，空心阴极与中间电极连接，中间电极与阳极连接，组成伪火花间隙，阳极连接有后加速间隙，各个电极间有绝缘外壳。

进一步，所述伪火花间隙伪火花间隙构成一个密封腔体，腔体内气压100Pa 一下。

进一步，组成伪火花间隙的所有电极中间开直径1-3mm的圆孔，且电极平行，间距与孔径相等。

本发明的另一目的在于提供一种零件制作方法，所述零件制作方法实施所述的高能电子束源控制方法；所述零件制作方法包括：电子零件制作方法、航空零件制作方法、航天零件制作方法、生物工程零件制作方法、医疗零件制作方法、汽车工业零件制作方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明采用伪火花放电脉冲用于驱动伪火花间隙放电，产生高能电子束，目前已实现放电电压超过100kV，高能电子能量达到约65keV。获得电子束之后，电子束后加速脉冲用于后加速间隙进一步加速电子束，提高电子束能量。伪火花放电脉冲用于输出高压纳秒脉冲电压，伪火花间隙用于承受高压脉冲，伪火花间隙包括空心阴极、中间电极、阳极、后加速间隙以及绝缘外壳，本发明的结构使伪火花间隙构成一个密封腔体，腔体内气压100Pa一下。组成伪火花间隙的所有电极中间开直径1-3mm的圆孔，且电极平行，间距与孔径相等。后加速脉冲作用于后加速间隙可以进一步提高电子束能量。

本发明基于双脉冲伪火花放电的高能电子束源，即采用伪火花放电脉冲用于驱动伪火花间隙放电，产生高能电子束。获得电子束之后，电子束后加速脉冲用于后加速间隙进一步加速电子束，提高电子束能量。此设备具有伪火花放电间隙结构紧凑、电子束束流能量高和束流密度大的优点。本方面的伪火花间隙包括伪火花放电间隙和后加速间隙，伪火花放电间隙和后加速间隙集成在一起，结构紧凑。各个电极中心开圆孔直径1-3mm，电极间隙距离与圆孔直径相等，放电形式为纳秒脉冲伪火花放电。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的高能电子束源控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的高能电子束源控制系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的高能电子束源控制装置的结构示意图；

图中：1、伪火花放电脉冲电源模块；2、伪火花放电间隙模块；3、电子束后加速脉冲电源模块；4、空心阴极；5、阳极；6、后加速间隙；7、伪火花间隙；8、伪火花放电纳秒脉冲源；9、电子束后加速脉冲源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高能电子束源控制系统、方法、装置、零件制作方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的高能电子束源控制方法包括以下步骤：

S101：伪火花放电纳秒脉冲源输出负极性脉冲，通过高压导线作用于伪火花间隙的空心阴极，阳极接地；

S102：脉冲电压作用到空心阴极后，在伪火花间隙内产生较高的电场；

S103：电离波从空心阴极向阳极发展，在阳极的小孔外检测到高能电子束，高能电子束进入后加速间隙；同时，电子束后加速脉冲源的后加速脉冲电压作用于后加速间隙，对电子束进行进一步加速，提高电子束能量。

如图2所示，本发明提供的高能电子束源控制系统包括：

伪火花放电脉冲电源模块1，用于驱动伪火花间隙放电产生高能电子束。

伪火花放电间隙模块2，用于实现电子束放电。

电子束后加速脉冲电源模块3，用于后加速间隙加速电子束，提高电子束能量。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

如图3所示，本发明提供的高能电子束源控制装置包括：空心阴极4、阳极 5、后加速间隙6、伪火花间隙7、伪火花放电纳秒脉冲源8、电子束后加速脉冲源9。

空心阴极4与中间间隙连接，中间间隙与阳极5连接，组成伪火花间隙7，阳极5连接有后加速间隙6，伪火花放电纳秒脉冲源8与空心阴极4连接，电子束后加速脉冲源9通过高压线与后加速间隙6连接。

伪火花间隙包括空心阴极4、中间电极、阳极5、后加速间隙6以及绝缘外壳，空心阴极4与中间电极连接，中间电极与阳极5连接，组成伪火花间隙7，阳极5连接有后加速间隙6，各个电极间有绝缘外壳。

本发明提供的高能电子束源控制装置的工作原理是伪火花放电纳秒脉冲源 8用于驱动伪火花间隙放电，产生高能电子束。电子束后加速脉冲源9用于后加速间隙进一步加速电子束，提高电子束能量。

伪火花放电纳秒脉冲源8输出负极性脉冲，通过高压导线作用于伪火花间隙的空心阴极4，阳极5接地。脉冲电压作用到空心阴极4之后，在伪火花间隙 7内产生较高的电场。由于伪火花放电工作气压范围通常小于100Pa，在巴申曲线左侧，初始电子沿着较长的路径运行，因此，放电集中在电极小孔附近。随着电离波从空心阴极4向阳极5发展，在阳极5的小孔外可以检测到高能电子束，高能电子束进入后加速间隙6，与此同时，电子束后加速脉冲源9的后加速脉冲电压作用于后加速间隙6，在保证后加速间隙6不放电的情况下对电子束进行进一步加速，提高电子束能量。由于伪火花放电纳秒脉冲源8驱动的伪火花放电电压明显高压直流电压，因此电子在放电过程中可以获得更高的能量，同时采用后加速脉冲，对电子束进一步加速可获得更高能量的电子束输出。

本发明的装置伪火花放电产生的电子束能量超过100keV，加速后电子束能量提高最多40％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。