[发明专利]一种脉冲型大束斑电子束发生装置

说明书

技术领域

本发明属于材料表面改性技术领域，涉及到一种脉冲型大束斑电子束发生装置。

背景技术

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，开发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1mm²)、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。

发明内容

本发明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2～4μs，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/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，本发明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。