CN103849716A - 一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，本发明技术方案通过调节聚焦线圈中的电流，改变聚焦磁场的强度，使材料表面的束斑被压缩在直径Φ2～4mm范围内，由于脉冲电子束流≥200mA，从而实现了小束斑高功率密度脉冲束流的输出；本发明装置不但易于实现，而且具有良好的控制性，可以对工件的狭窄空间表面进行处理，将脉冲电子束流的输出与偏转线圈产生的偏转磁场同步，配合不同的偏转扫描波形，采用束斑搭接轰击的方式，可实现对小孔边缘、较大面积材料的表面处理。

Description

一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置

技术领域

本发明是一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，属于材料表面改性处理技术领域。 

背景技术

材料表面改性常用的载能束有激光束、离子束、电子束，激光束与材料表面相互作用时，能量转化效率低，一般在5%～10%，对钛合金材料进行表面改性，需要在良好的保护环境下进行；离子对材料的穿透能力远低于电子，材料表面改性层的性能决定于注入元素的性能，而且存在元素注入、难以形成大厚度改性层等问题。与激光、离子束表面改性技术相比，电子束与材料作用时，能量转化效率高达80%以上；在真空环境下工作，几乎不存在材料表面被污染的问题；并且电子束的可控性更好，耦合效率更高。 

常规电子束表面改性技术包括电子束表面强化技术、强流脉冲电子束轰击表面改性技术。电子束表面强化技术有电子束表面淬火、电子束表面熔凝、电子束表面合金化等技术，它是利用电子束功率密度(10⁶～10⁹W/cm²)大的特点，使金属表面材料迅速加热熔化，并借助于冷态基体迅速冷却，获得一般冷却速度下无法得到的化合物、过饱和固溶体、微晶，使得材料的硬度、耐腐蚀性、耐磨性等性能得到大幅度提高。该技术一般需要采用中压60kV或高压150kV电子束发生装置配合电子束偏转扫描技术来实现。该技术的局限性在于不易对电子束输入能量进行精确控制，材料热影响区大，工艺比较复杂，控制不当，易产生裂纹。 

强流脉冲电子束轰击表面改性技术通常是指采用加速电压30kV左右、脉宽2μs左右、电流密度1000A/cm²、输入能量大于2J/cm²、束斑直径在几十mm的大束斑电子束轰击材料表面的一种材料表面改性技术。采用大电流密度的电子束轰击材料表面，可使入射能量瞬间沉积到金属 表面的薄膜层内，形成温度梯度极高的热作用区，同时，后续电子束能量继续输入，使金属表层出现熔化、汽化及熔体喷发等物理现象，由于非均匀温度分布与金属蒸汽反作用力共同作用于金属材料表面，使得被电子束轰击区域的微观组织和应力分布状态发生显著变化，从而实现常规表面处理技术难以实现的表面改性效果。通常电子束的束斑通过聚焦获得，是一种圆形焦斑，电子束能量呈典型的高斯分布，束斑直径越大，则电子束轰击的边界效应越明显，需要采用特殊的均匀化电子束能量的技术，才能使束斑能量分布均匀。并且，大束斑轰击需要的电子束束流高达几百甚至上千A/cm²，这对于电源及电子***造技术要求极其苛刻。 

近年来，为了实现减重增效，提高结构重量系数，新型飞机大量使用钛合金材料，而钛合金构件上的焊缝、孔等通常是承载较重，受力分布极不均匀的关键位置，通常需要后续强化处理工艺对焊缝、小孔边缘进行处理，以满足特殊条件的应用需求。 

采用常规电子束表面改性技术对钛合金构件的焊缝、小孔边缘进行表面改性处理，很难使被处理的钛合金构件达到理想的处理效果。 

发明内容

本发明正是为了弥补大束斑电子束轰击材料表面改性技术针对小孔边缘或复杂焊接构件焊缝表面强化处理方面的不足，设计提供了一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其目的是针对航空工业领域实际应用的需求，在不改变电子束能量密度的前提下，缩小电子束束斑，配合偏转扫描技术，实现对小孔边缘、筋条与蒙皮之间焊缝或加强框、梁焊缝的强化，与扫描频率同步，采用束斑搭接方式，实现对材料表面的大面积强化。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的： 

本发明技术方案提供了一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其特征在于：该装置包括大功率高压电源(1)、脉冲偏压电路(2)、灯丝加热电路(3)，分别产生的电压为-150kV、-2000V、12V，大功率高 压电源(1)通过电缆Ⅰ(21)与脉冲偏压电路(2)联接，偏压电路(2)通过高压电缆Ⅲ(33)联接栅极(42)，大功率高压电源(1)还通过电缆Ⅱ(22)与灯丝加热电路(3)联接，灯丝加热电路(3)通过高压电缆Ⅰ(31)、高压电缆Ⅱ(32)与灯丝(41)联接，加热灯丝(41)，时序控制电路(6)通过导线A(62)联接脉冲偏压电路(2)，时序控制电路(6)还通过导线B(61)联接偏转扫描电路(7)，偏转扫描电路(7)通过导线C(71)联接偏转线圈(45)，聚焦电路(8)通过导线D(81)联接聚焦线圈(44)； 

灯丝(41)下部依次放置栅极(42)、接地的阳极(43)、聚焦线圈(44)和偏转线圈(45)，并安装在真空电子枪(4)内，栅极(42)与阳极(43)之间的电压可调范围为-152～-150kV， 

聚焦线圈(44)磁场线圈是平行于真空电子枪(4)的轴线的密绕线圈，聚焦线圈(44)提供的工作磁场方向平行于真空电子枪(4)的轴线，且与脉冲电子束流(9)方向相反，聚焦线圈(44)磁场的强度通过调节通过聚焦线圈(44)中的电流进行调节； 

偏转线圈(45)是由两对垂直于真空电子枪(4)轴线方向的带磁芯的密绕线圈组成，所述偏转线圈(45)包含X向偏转的线圈和Y方向偏转的线圈，调整偏转线圈(45)中的电流大小，使脉冲电子束流(9)向X向或Y向偏转角度； 

时序控制电路(6)产生同步控制信号，使偏压电路(2)的脉冲束流输出时刻与偏转扫描电路(7)的输出电流波形同步，实现束斑搭接的轰击效应。 

大功率高压电源(1)产生的-150kV通过高压电缆Ⅰ(21)与脉冲偏压电路(2)联接，使脉冲偏压电路(2)悬浮于-150kV电位上，通过高压电缆Ⅱ(22)与灯丝加热电路(3)联接，使灯丝加热电路3悬浮于-150kV电位上；施加于栅极42、阳极43之间的电压为-152kV；脉冲偏压电路(2)控制偏压可产生≥200mA的脉冲电子束流。 

调节聚焦电路(8)输出电流，改变聚焦线圈(44)中流过的电流，可以改变束斑大小。为适应大面积电子束轰击的工艺需求，调节偏转扫描 电路(7)输出的电流幅值，改变偏转线圈(45)流过的电流波形，可以改变偏转磁场，从而改变脉冲电子束流(9)在工件表面(10)的轰击位置。 

本发明所述装置产生脉冲电子束流(9)的参数为：加速电压150kV，脉冲束流≥200mA，脉冲持续时间2～4μs，重复频率0.1～1kHz，束斑直径Φ2～4mm，束斑平均能量密度为1～15J/cm²。 

时序控制电路(6)是以DSP数字信号处理器DSPIC30F4011、AD7525为核心的控制电路。 

时序控制电路(6)包括数字信号处理器DSPIC30F4011(601)、DAC转化芯片AD7525(602)，数字信号处理器(601)的第25～30管脚RF0～RF5联接DAC转化芯片AD7525(602)的DB0～DB5，数字信号处理器(601)的第33～38管脚RE0～RE5联接DAC转化芯片AD7525(602)的DB6～DB11，数字信号处理器DSPIC30F4011(601)的第22管脚RD2联接DAC转化芯片AD7525(602)的A0、第23管脚RD0联接DAC转化芯片AD7525(602)的A1。 

时序控制电路6中，所述DSP的第4脚AN2用于采样小孔孔径参数调节的模拟量(603)、所述DSP的第5脚AN3用于采样X向扫描距离参数调节的模拟量(604)、所述DSP的第6脚AN4用于采样Y向扫描距离参数调节的模拟量(605)、所述DSP的第7脚AN5用于采样轰击脉冲频率参数调节的模拟量(606)、所述DSP的第8脚AN6用于采样轰击脉冲占空比参数调节的模拟量(607)、所述DSP的第9脚AN7用于采样轰击次数参数调节的模拟量(608)、所述DSP的第10脚AN8用于采样轰击束斑搭接率参数调节的模拟量(609)。 

时序控制电路6中的数字信号处理器(601)的第25～30管脚RF0～RF5、第33～第38管脚RE0～RE5的12个I/O端口用于分时输出控制X向线圈电流幅值的数字量与Y向线圈电流幅值的数字量，时序控制电路6中的数字信号处理器(601)的第22管脚RD2与第23管脚RD0两个I/O端口输出数字量用于选择AD7525(602)的模拟量输出端口，时序控制电路6中的数字信号处理器(601)的第24管脚RF6I/O端口用于输出脉冲 偏压控制信号(610)。 

本发明技术方案的优点在于： 

(1)通过调节聚焦线圈中的电流，可以改变聚焦磁场的强度，使材料表面的束斑被压缩在直径Φ2～4mm范围内，由于脉冲电子束流≥200mA，从而实现了小束斑高功率密度脉冲束流的输出； 

(2)本发明装置不但易于实现，而且具有良好的控制性，可以对工件的狭窄空间表面进行处理，将脉冲电子束流的输出与偏转线圈产生的偏转磁场同步，配合不同的偏转扫描波形，采用束斑搭接轰击的方式，可实现对小孔边缘、较大面积材料的表面处理。 

说明书附图 

图1为本发明装置的整体结构示意图 

图中：(1)是大功率高压电源、(2)是脉冲偏压电路、(3)是灯丝加热电路，(21)是联接大功率高压电源(1)与脉冲偏压电路(2)的电缆Ⅰ，(22)是联接大功率高压电源(1)与灯丝加热电路(3)的电缆Ⅱ，(4)是真空电子枪，(41)是灯丝，(42)是栅极，(43)是阳极，(44)是聚焦线圈，(45)是偏转线圈，(31)、(32)分别是高压电缆Ⅰ、高压电缆Ⅱ，用于联接灯丝加热电路(3)与灯丝(41)，(33)是联接偏压电路(2)与栅极(42)的高压电缆Ⅲ，(5)是真空室，(6)是时序控制电路，(7)是偏转扫描电路，(61)是联接时序控制电路(6)与偏转扫描电路(7)的导线B，(62)是联接时序控制电路(6)与脉冲偏压电路(2)的导线A，(71)是联接偏转扫描电路(7)与偏转线圈(45)的导线C，(8)是聚焦电路，(81)是联接聚焦电路(8)与聚焦线圈(44)的导线D；(9)是脉冲电子束流；(10)是工件；(11)是X向工作台；(12)是Y向工作台。 

图2为本发明装置中时序控制电路的示意图 

图3为本发明装置中时序控制的软件流程图 

图4为图3中的单次脉冲电子束轰击子程序的流程图 

图5为本发明装置用于大面积材料表面轰击处理的控制逻辑、轰击过程扫描轨迹、轰击效果的示意图，其中：(a)是实现大面积束斑搭接 轰击效应的控制逻辑；(b)是轰击过程中的扫描轨迹示意图；(c)是大面积束斑搭接轰击效果示意图 

图6为本发明装置用于小孔边缘轰击处理的控制逻辑、轰击过程扫描轨迹、轰击效果示意图，其中：(a)是实现小孔边缘束斑搭接轰击的控制逻辑；(b)是小孔边缘轰击过程扫描轨迹示意图；(c)是小孔边缘束斑搭接轰击效果示意图。 

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述： 

参见附图1所示，该种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其特征在于：该装置包括大功率高压电源1、脉冲偏压电路2、灯丝加热电路3，分别产生的电压为-150kV、-2000V、12V，大功率高压电源1通过电缆Ⅰ21与脉冲偏压电路2联接，偏压电路2通过高压电缆Ⅲ33联接栅极42，大功率高压电源1还通过电缆Ⅱ22与灯丝加热电路3联接，灯丝加热电路3通过高压电缆Ⅰ31、高压电缆Ⅱ32与灯丝41联接，加热灯丝41，时序控制电路6通过导线A62联接脉冲偏压电路2，时序控制电路6还通过导线B61联接偏转扫描电路7，偏转扫描电路7通过导线C71联接偏转线圈45，聚焦电路8通过导线D81联接聚焦线圈44； 

灯丝41下部依次放置栅极42、接地的阳极43、聚焦线圈44和偏转线圈45，并安装在真空电子枪4内，栅极42与阳极43之间的电压可调范围为-152～-150kV， 

聚焦线圈44磁场线圈是平行于真空电子枪4的轴线的密绕线圈，聚焦线圈44提供的工作磁场方向平行于真空电子枪4的轴线，且与脉冲电子束流9方向相反，聚焦线圈44磁场的强度通过调节通过聚焦线圈44中的电流进行调节； 

偏转线圈45是由两对垂直于真空电子枪4轴线方向的带磁芯的密绕线圈组成，所述偏转线圈45包含X向偏转的线圈和Y方向偏转的线圈，调整偏转线圈45中的电流大小，使脉冲电子束流9向X向或Y向偏转角度； 

时序控制电路6产生同步控制信号，使偏压电路2的脉冲束流输出时刻与偏转扫描电路7的输出电流波形同步，实现束斑搭接的轰击效应。 

参见附图2所示，时序控制电路6包括数字信号处理器DSPIC30F4011601、DAC转化芯片AD7525602，数字信号处理器601的第25～30管脚RF0～RF5联接DAC转化芯片AD7525602的DB0～DB5，数字信号处理器601的第33～38管脚RE0～RE5联接DAC转化芯片AD7525602的DB6～DB11，数字信号处理器DSPIC30F4011601的第22管脚RD2联接DAC转化芯片AD7525602的A0、第23管脚RD0联接DAC转化芯片AD7525602的A1。 

小孔孔径参数调节的模拟量603联接数字信号处理器DSPIC30F4011601的第4脚AN2，X向扫描距离参数调节的模拟量604联接数字信号处理器DSPIC30F4011601的第5脚AN3，Y向扫描距离参数调节的模拟量605联接数字信号处理器DSPIC30F4011601的第6脚AN4，轰击脉冲频率参数调节的模拟量606联接数字信号处理器DSPIC30F4011601的第7脚AN5，轰击脉冲占空比参数调节的模拟量607联接数字信号处理器DSPIC30F4011601的第8脚AN6，轰击次数参数调节的模拟量608联接数字信号处理器DSPIC30F4011601的第9脚AN7，轰击束斑搭接率参数调节的模拟量609联接数字信号处理器DSPIC30F4011601的第10脚AN8。 

数字信号处理器DSPIC30F4011601的第24管脚RF6输出脉冲偏压控制信号610。 

图3为时序控制电路6的软件流程图，该软件采用MICROCHIP公司提供的汇编语言编写，存储在数字信号处理器DSPIC30F4011601的程序存储器中。 

结合图3对时序控制电路6的软件工作过程进行说明：数字信号处理器DSPIC30F4011601***上电以后，首先进行***初始化64，对I/O端口初始化65，关闭所有I/O端口输出66，程序对数字信号处理器DSPIC30F4011601的AN2～AN8端口输入的模拟量进行工作参数采集67，对 于所采集到的参数，判断小孔孔径参数调节的模拟量603是否大于零，进入判断程序68，如果小孔孔径参数设置为零，则进入程序82，根据采样得到X向扫描距离参数调节的模拟量、Y向扫描距离参数调节的模拟量、轰击束斑搭接率参数调节的模拟量609分别计算出X向、Y向电流幅值数字量，再根据采集到的轰击脉冲占空比算出各轰击点的驻留时间83，然后计算出X向电流台阶数量及其对应数字量84、Y向电流台阶数量及其对应数字量85，在所有参数设置完毕后，检测轰击次数是否到最大值，进入轰击次数是否达到最大值判断程序86，如果达到最大值，程序跳转到66处；未达到最大值，进入轰击初始位置设定87，检测Y向电流台阶数量是否达到最大值88，达到最大值，程序跳转到86处；未达到最大值，则根据当前Y向电流台阶数，控制Y向线圈中电流输出89，再控制X向线圈电流输出90，然后程序进入单次脉冲电子束轰击子程序91，单次脉冲电子束轰击结束后，对X向线圈电流的台阶数进行递增92；对X向线圈电流的台阶数检测其是否达到最大93，未达到最大值，则控制X向线圈输出下一个台阶电流94，再跳转到程序91处，重复程序91、92、93、94，直到X向电流台阶数量达到最大值，X向电流台阶数量达到最大后，控制X向线圈电流回复到初始值95，对于Y向电流台阶数量递增96，程序跳转至88处，重复程序88、89、90、91、92、93、94、95、96，直到Y向电流台阶数量达到最大，即一次大面积轰击扫描过程完成，在该次大面积轰击扫描完成后，判断轰击次数是否达到最大86，程序86未满足要求，则需要多次轰击，在执行完程序87后，再重复程序88、89、90、91、92、93、94、95、96，直到Y向电流台阶数量达到最大，再一次大面积轰击扫描过程完成。程序86满足要求，则程序跳转至66重新开始数据采样，再根据采集到的各种参数，重新进行轰击扫描。 

在判断程序68中，如果判断出小孔孔径参数设置大于零，则进入程序73，根据小孔孔径计算出需要输出正弦波与余弦波最大福祉的数字量，根据采样得到的轰击脉冲占空比算出各轰击点的驻留时间74，进入程序75，根据小孔孔径、轰击束斑搭接率、束斑大小计算出正弦波、余弦波 周期及小孔周围束斑轰击数量，然后检测轰击次数是否达到最大，在程序76中，判断轰击次数达到最大，则程序跳转至66；否则进入77，对轰击初始位置进行设定后，进入单次脉冲电子束轰击子程序91，执行完一次脉冲电子束轰击后，检测正弦波或余弦波的一个周期是否结束，进入判断程序78，正弦波或余弦波的周期未结束，则控制X向线圈、Y向线圈电流按照设定波形输出79，在重复程序91、78、79，直到一个正弦波或余弦波的周期结束，即小孔边缘一周均被电子束轰击完毕。在判断程序78检测正弦波或余弦波的一个周期结束后，程序跳转至76处，重新判断是否需要多次轰击，不需要，则跳转至程序66，重新开始数据采样，再根据采集到的各种参数，重新进行轰击扫描。 

图4为图3中的单次脉冲电子束轰击子程序的流程图，结合图4对单次脉冲电子束轰击子程序进行阐述。进入子程序91后，开启束流轰击的偏压控制信号输出911，然后根据轰击脉冲占空比设置时间有没有结束，进入判断子程序912，没有完成，进行判断等待，直到根据轰击占空比设置的时间达到，接着，关闭束流轰击的偏压控制信号输出913，在进入判断由轰击脉冲频率设置的周期时间有没有达到914，没达到则进行判断等待，直到时间达到后，则恢复现场参数，返回主程序915。 

本发明所述装置的工作过程为： 

1．根据工艺需求，用酒精对工件10需要处理的表面进行清理，将工件10固定在X向工作台11上； 

2．移动Y向工作台12，使其带动工件10，使工件10待处理的表面处于脉冲电子束9的引出位置； 

3．关闭真空室5的大门，采用真空***将电子枪4和真空室5的真空度抽到工作气压； 

4．时序控制电路6输出的脉冲偏压控制信号610为零，关闭脉冲偏压电路2的脉冲束流输出，时序控制电路6输出到偏转线圈45中的X线圈模拟量、偏转线圈45中的Y线圈模拟量为零，使所述线圈中的电流为零； 

5．根据工件材质、预先获取的工艺，设置大功率高压电源1输出电压值、灯丝加热电路3输出电流值、聚焦电路8输出电流值； 

6．时序控制电路6分别向偏转扫描电路7输出控制偏转线圈45中的X向线圈模拟量、控制偏转线圈45中的Y向线圈模拟量，时序控制电路6同时向脉冲偏压电路2输出一个高电平有效信号，在所述信号有效时，偏转扫描电路7输出到偏转线圈45中的X向、Y向线圈中的电流分别处于一个稳定值，脉冲偏压电路2输出的电压达到-200V，脉冲电子束流9产生； 

7．维持2～4μs时间，时序控制电路6向脉冲偏压电路2输出一个低电平信号，脉冲偏压电路2输出的电压为-2000V，脉冲电子束流9被关闭； 

8．时序控制电路6根据预先设定的扫描频率，在下一个扫描周期，时序控制电路6向偏转扫描电路7分别输出可以改变偏转线圈45中的X向线圈中电流幅值的控制模拟量、改变偏转线圈45中的Y向线圈中电流幅值的控制模拟量，使偏转线圈45中的X向线圈或Y向线圈的输出电流改变，时序控制电路6向脉冲偏压电路2发出脉冲偏压控制信号610为高电平的工作信号，脉冲偏压电路2输出电压为-200V，脉冲电子束流9再次输出； 

9．重复步骤7、8，待工件10的所有需要处理的材料表面处理完毕，关闭所有工作电源、电路、真空***，开启真空室5的大门，取出工件10。 

具体实施方式1： 

以上述工作过程，采用束斑搭接方式对10×10mm的TC4钛合金表面进行小束斑电子束轰击强化，时序控制电路调整偏转线圈中电流变化的过程： 

1、在真空室5、电子枪4的真空度达到工作条件后，调节聚焦电路8，使脉冲电子束9的束斑直径达到2mm； 

2、如图5a所示，在t₀时刻，偏转线圈45中的X向线圈流过电流 为I_x1，偏转线圈45中的Y向线圈流过电流为I_Y1； 

3、时序控制电路6产生高电平有效的脉冲偏压控制信号610，使脉冲偏压电路2输出为预设值，持续2μs； 

4、时序控制电路6产生低电平脉冲偏压控制信号610，使脉冲电子束流9关闭； 

5、在t₁、t₂、t₃、t₄、t₅时刻，流过偏转线圈45中的X向线圈的电流分别为I_x2、I_x3、-I_x3、-I_x2、-I_x1，重复所述步骤3、步骤4的操作，直到6个束斑搭接轰击完毕； 

6、在t₆、t₇、t₈、t₉、t₁₀、t₁₁时刻，偏转线圈45中的Y向线圈流过电流为I_Y2，偏转线圈45中的X向线圈流过电流为I_x1、I_x2、I_x3、-I_x3、-I_x2、-I_x1，重复所述步骤3、步骤4的操作，直到第二行6个束斑搭接轰击完毕； 

7、在t₁₂～t₁₇、t₁₈～t₂₃、t₂₄～t₂₉、t₃₀～t₃₅时段，对应的偏转线圈45中的Y向线圈流过电流为I_Y3、-I_Y3、-I_Y2、-I_Y1时，分别在所述的每个时段，使偏转线圈45中的X向线圈流过电流为I_x1、I_x2、I_x3、-I_x3、-I_x2、-I_x1，重复所述步骤3、步骤4，直到6×6的束斑搭接轰击完毕。 

电子束轰击偏转扫描的轨迹如图5b所示。 

所述工作模式束斑搭接的轰击示意图如图5c所示。 

采用所述束斑搭接的轰击工作模式，配合X向、Y向工作台运动，可实现大面积材料表面的电子束轰击强化。 

具体实施方式2： 

以上述工作过程，在对直径2mm的TC4钛合金小孔边缘进行电子束轰击强化时，时序控制电路调整偏转线圈中电流变化的过程如下： 

1、在真空室5、电子枪4的真空度达到工作条件后，调节聚焦电路8，使脉冲电子束9的束斑直径达到1mm； 

2、时序控制电路6控制偏转扫描电路7，使偏转线圈45中的X向线圈通过频率为1Hz的正弦波电流，使偏转线圈45中的Y向线圈通过频率为1Hz的余弦波电流；所述偏转线圈45中的X向、Y向线圈中流过 的电流幅值可根据电子枪与工件的距离、轰击束斑中心与小孔中心的间距确定； 

3、时序控制电路6设定电子束轰击的频率为20Hz； 

4、如图6a所示，在t₀时刻，时序控制电路6产生高电平有效的脉冲偏压控制信号610，使脉冲偏压电路2输出为预设值，持续2μs； 

5、时序控制电路6产生低电平脉冲偏压控制信号610，使脉冲电子束流9关闭； 

6、在t₁～t₁₉的每个时间段内，重复所述步骤4、步骤5； 

7、在一个正弦波电流周期结束之时，时序控制电路6关闭脉冲偏压电路2、偏转扫描电路7，小孔边缘被直径1mm小束斑电子束轰击强化完毕。 

所述小孔边缘轰击过程扫描轨迹示意图如图6b所示。 

所述小孔边缘束斑搭接轰击效果示意图如图6c所示。 

Claims (5)

1.一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其特征在于：该装置包括大功率高压电源(1)、脉冲偏压电路(2)、灯丝加热电路(3)，分别产生的电压为-150kV、-2000V、12V，大功率高压电源(1)通过电缆Ⅰ(21)与脉冲偏压电路(2)联接，偏压电路(2)通过高压电缆Ⅲ(33)联接栅极(42)，大功率高压电源(1)还通过电缆Ⅱ(22)与灯丝加热电路(3)联接，灯丝加热电路(3)通过高压电缆Ⅰ(31)、高压电缆Ⅱ(32)与灯丝(41)联接，加热灯丝(41)，时序控制电路(6)通过导线A(62)联接脉冲偏压电路(2)，时序控制电路(6)还通过导线B(61)联接偏转扫描电路(7)，偏转扫描电路(7)通过导线C(71)联接偏转线圈(45)，聚焦电路(8)通过导线D(81)联接聚焦线圈(44)；

灯丝(41)下部依次放置栅极(42)、接地的阳极(43)、聚焦线圈(44)和偏转线圈(45)，并安装在真空电子枪(4)内，栅极(42)与阳极(43)之间的电压可调范围为-152～-150kV，

聚焦线圈(44)磁场线圈是平行于真空电子枪(4)的轴线的密绕线圈，聚焦线圈(44)提供的工作磁场方向平行于真空电子枪(4)的轴线，且与脉冲电子束流(9)方向相反，聚焦线圈(44)磁场的强度通过调节流过聚焦线圈(44)中的电流进行调节；

偏转线圈(45)是由两对垂直于真空电子枪(4)轴线方向的带磁芯的密绕线圈组成，所述偏转线圈(45)包含X向偏转的线圈和Y方向偏转的线圈，调整偏转线圈(45)中的电流大小，使脉冲电子束流(9)向X向或Y向偏转角度；

时序控制电路(6)产生同步控制信号，使偏压电路(2)的脉冲束流输出时刻与偏转扫描电路(7)的输出电流波形同步，实现束斑搭接的轰击效应。

2.根据权利要求1所述的实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其特征在于：时序控制电路(6)是以DSP数字信号处理器DSPIC30F4011、AD7525为核心的控制电路。

时序控制电路(6)包括数字信号处理器DSPIC30F4011(601)、DAC转化芯片AD7525(602)，数字信号处理器(601)的第25～30管脚RF0～RF5联接DAC转化芯片AD7525(602)的DB0～DB5，数字信号处理器(601)的第33～38管脚RE0～RE5联接DAC转化芯片AD7525(602)的DB6～DB11，数字信号处理器DSPIC30F4011(601)的第22管脚RD2联接DAC转化芯片AD7525(602)的A0、第23管脚RD0联接DAC转化芯片AD7525(602)的A1。

3.根据权利要求2所述的实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其特征在于：时序控制电路6中，所述DSP的第4脚AN2用于采样小孔孔径参数调节的模拟量(603)、所述DSP的第5脚AN3用于采样X向扫描距离参数调节的模拟量(604)、所述DSP的第6脚AN4用于采样Y向扫描距离参数调节的模拟量(605)、所述DSP的第7脚AN5用于采样轰击脉冲频率参数调节的模拟量(606)、所述DSP的第8脚AN6用于采样轰击脉冲占空比参数调节的模拟量(607)、所述DSP的第9脚AN7用于采样轰击次数参数调节的模拟量(608)、所述DSP的第10脚AN8用于采样轰击束斑搭接率参数调节的模拟量(609)。

4.根据权利要求2所述的一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其特征在于：时序控制电路6中的数字信号处理器(601)的第25～30管脚RF0～RF5、第33～第38管脚RE0～RE5的12个I/O端口用于分时输出控制X向线圈电流幅值的数字量与Y向线圈电流幅值的数字量，时序控制电路6中的数字信号处理器(601)的第22管脚RD2与第23管脚RD0两个I/O端口输出数字量用于选择AD7525(602)的模拟量输出端口，时序控制电路6中的数字信号处理器(601)的第24管脚RF6I/O端口用于输出脉冲偏压控制信号(610)。

5.根据权利要求1所述的一种实现小束斑高压脉冲电子束轰击的装置，其特征在于：脉冲轰击频率1～1000Hz，束斑直径Φ2～4mm。

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