CN112947259A - 非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，该方法采用了一种非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制***，该***包括PC工控机、单片机、磁场放电单元、阳极放电单元、阴极放电单元、检测单元和波形记录仪，该方法包括PC工控机先预设阳极粗延时与精细延时计数值以及阴极粗延时与精细延时计数值并下传至单片机，然后单片机在PC工控机的控制下依次启动磁场、阳极和阴极放电，通过检测单元用波形记录仪监视磁场电流波形和阳极电流波形，根据反馈波形同步结果和同步要求，采用粗延时和精细延时配合，反复调节延时，达到最佳同步靶电极上电流的持续时间、径向密度分布、靶表面光洁度、能量透入深度与梯度变化。

Description

非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法

技术领域

本发明涉及非相对论性强流脉冲电子束放电同步控制技术领域，具体涉及一种非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法。

背景技术

非相对论性强流脉冲电子束源是一种能产生低速的强流脉冲电子束设备。它利用脉冲高压大电流瞬时的电、磁、热效应，对材料表面，尤其对金属材料表面，进行电、磁、热高能瞬时处理，使其表面状态变化，调控表面光洁度、耐磨性、抗腐蚀性等，由于其表面处理的时间极短，使处理过的表面具有独特的性能，是其它表面处理方法所不能达到的。

非相对论性强流脉冲电子束源由低真空强流二极管、三个脉冲电容器、放电同步控制器等组成。请参考图4所示，现有低真空强流二极管10的结构包括通过亥姆霍兹线圈连接线101连接的第一亥姆霍兹线圈102、第二亥姆霍兹线圈103和第三亥姆霍兹线圈104，所述第一亥姆霍兹线圈102上连接有亥姆霍兹线圈进线105，所述第三亥姆霍兹线圈102上连接有接地的亥姆霍兹线圈出线106，所述第二亥姆霍兹线圈103和第三亥姆霍兹线圈104之间设有中空结构的潘宁阳极107及与潘宁阳极107连接的阳极进线108，所述第一亥姆霍兹线圈102和第二亥姆霍兹线圈103之间设有加速阴极109，所述加速阴极109上连接有穿过第一亥姆霍兹线圈102中心的阴极进线110，所述第三亥姆霍兹线圈104的下方设有靶电极111，所述靶电极111上连接有接地的靶进线112，所述潘宁阳极107、加速阴极109和靶电极111的中心轴线共线。非相对论性强流脉冲电子束源的核心工作原理是在低真空强流二极管内，及在三个脉冲电容器均充电的情况下，首先，放电同步控制器控制第一个脉冲电容器对亥姆霍兹线圈放电，产生毫秒级的脉冲强磁场，对下一步潘宁阳极放电产生的等离子体进行磁约束；然后，在磁场电流最大、磁场最强时，放电同步控制器控制第二个脉冲电容器对潘宁阳极脉冲放电，产生阻抗极低的脉冲等离子体通道，通道寿命约微秒级；最后，在脉冲等离子体通道电流最大、阻抗最低时，放电同步控制器控制第三个脉冲电容器的负高电压对加速阴极放电，加速阴极获得负高电压后，对潘宁阳极的脉冲等离子体通道内的自由电子进行纳秒级的脉冲电场加速，经过加速后的自由电子即为非相对论性强流脉冲电子束。

俄罗斯科学院新西伯利亚分院强流电子所，在非相对论性强流脉冲电子束源的研究方面具有最大实力，其开发的脉冲电子束源在某些尖端领域机构使用较多，其控制核心为常用的16MHz单指令周期单片机，脉冲磁场、阳极放电、阴极加速三者之间的延时精确度分辨率能够达到750纳秒。而本发明的发明人经过研究发现，由于脉冲磁场是基于大脉冲电容对亥姆霍兹线圈放电，产生的磁场为毫秒级时间，而后的阳极放电延时启动，750纳秒精度已经足够；然而对于阴极加速的启动，是在潘宁阳极放电通道建立后、电流最大时刻启动，而潘宁阳极放电通道寿命仅数微秒或者数十微秒，其电流波形为双指数波，波峰90％以上的波持续时间极短，比通道寿命短很多，而延时精确度750纳秒折合为0.75微秒，可见其延时精确度分辨率显得不足。然而脉冲磁场、阳极放电、阴极加速三者之间的延时精确度影响到磁场、潘宁等离子体通道的状态，以及电能的使用效率和材料表面处理的效果，甚至严重影响电能效率和处理效果。

因此，为了提高非相对论性强流脉冲电子束源的电能使用效率和对材料表面处理效果，亟待提高延时精确度和采用延时分辨率更高的束源放电精细同步控制方法。

发明内容

针对现有技术为了提高非相对论性强流脉冲电子束源的电能使用效率和对材料表面处理效果，亟待提高延时精确度和采用延时分辨率更高的束源放电精细同步控制方法的技术问题，本发明提供一种非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，该方法采用了一种非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制***，所述非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制***包括PC工控机、单片机、磁场放电单元、阳极放电单元、阴极放电单元、检测单元和波形记录仪；其中，所述PC工控机的输出端与单片机的输入端连接，所述单片机的第一输出端经磁场放电单元与强流二极管中的亥姆霍兹线圈连接，所述单片机的第二输出端依次经阳极放电单元和检测单元与强流二极管中的潘宁阳极连接，所述单片机的第三输出端依次经阴极放电单元和检测单元与强流二极管中的加速阴极连接，所述检测单元中用于检测磁场放电、阳极放电和阴极放电时的各个电压监测节点与波形记录仪的输入通道连接，所述波形记录仪的输出端与PC工控机的输入端连接；

该方法包括如下步骤：

S1、通过所述PC工控机中的控制软件预设磁场放电后的阳极放电触发预设时延t1’以及阳极放电后的阴极放电触发预设时延t2’，并在控制所述磁场放电单元、阳极放电单元和阴极放电单元中的储能电容预充电结束后，所述控制软件根据公式t1’×10⁹＝na1×750+ta1×62.5分解计算出参数na1和ta1，na1和ta1均为舍弃小数点后的整数，其中t1’单位为秒，na1为阳极放电触发时延粗延时子程序大循环次数计数值，ta1为阳极放电触发时延精细延时子程序序号，且na1≥0、0≤ta1＜12；

S2、所述PC工控机将计算出的参数na1和ta1下达给单片机，所述单片机接收到参数na1和ta1后立即更新自己缓冲区内的触发时延预定值并给PC工控机反馈更新标志，并在更新成功后进入阴极放电触发时延t2’的参数处理，其处理流程与t1’相似：所述控制软件根据公式t2’×10⁹＝na2×750+ta2×62.5分解计算出参数na2和ta2，na2和ta2均为舍弃小数点后的整数，其中t2’单位为秒，na2为阴极放电触发时延粗延时子程序大循环次数计数值，ta2为阴极放电触发时延精细延时子程序序号，且na2≥0、0≤ta2＜12；

S3、所述PC工控机将计算出的参数na2和ta2下达给单片机，所述单片机接收到参数na2和ta2后立即更新自己缓冲区内的触发时延预定值并给PC工控机反馈更新标志，并在更新成功后进入放电控制流程；

S4、设当前时间为t0时刻，所述PC工控机中的控制软件给单片机下发启动标志，所述单片机在接收到下发启动标志后，立即从第一输出端输出磁场启动信号给磁场放电单元，所述磁场放电单元中的储能电容给亥姆霍兹线圈充电产生毫秒级的脉冲强磁场，磁场电流经检测单元中对应的电压监测点检测后，接入波形记录仪获得磁场电流波形；

S5、所述单片机中的延时调用程序在磁场放电被调用了na1次阳极粗延时子程序+第ta1个阳极精细延时子程序后，相对于t0时刻此刻为磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1，所述PC工控机立即控制单片机的第二输出端输出阳极启动信号给阳极放电单元，所述阳极放电单元中的储能电容给潘宁阳极放电形成寿命为微秒级的脉冲等离子体通道，阳极放电电流经检测单元中对应的电压监测点检测后，接入波形记录仪获得阳极放电电流波形；

S6、所述单片机中的延时调用程序在阳极放电被调用了na2次阴极粗延时子程序+第ta2个阴极精细延时子程序后，相对于t1时刻此刻为阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2，所述PC工控机立即控制单片机的第三输出端输出阴极启动信号给阴极放电单元，所述阴极放电单元中的储能电容产生负高压脉冲给加速阴极放电，加速阴极获得负高压脉冲后对潘宁阳极脉冲等离子体通道内的自由电子进行纳秒级的脉冲电场加速，经过加速后形成非相对论性强流脉冲电子束，阴极放电电流经检测单元中对应的电压监测点检测后，接入波形记录仪获得阴极放电电流波形。

与现有技术相比，本发明提供的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，在强流二极管内部气压达标后，PC工控机先设定磁场放电后的阳极放电触发预设时延t1’以及阳极放电后的阴极放电触发预设时延t2’，并在PC工控机给定软件程序控制各放电单元中储能电容充电，即形成磁场、阳极和阴极放电电路中电容初级储能后，PC工控机下发设定时间给单片机，再由单片机在特定时刻分别控制磁场、阳极和阴极放电单元。具体当磁场放电电路触发启动后，由磁场放电电路中储能电容给亥姆霍兹线圈充电产生毫秒级的脉冲强磁场；当单片机中的延时调用程序在磁场放电被调用了na1次阳极粗延时子程序+第ta1个阳极精细延时子程序后，PC工控机通过单片机的第二输出端控制阳极放电单元触发启动，然后由阳极放电电路中的储能电容给潘宁阳极放电形成阻抗极低的脉冲等离子体通道，该脉冲等离子体通道寿命约微秒级；最后，当单片机中的延时调用程序在阳极放电被调用了na2次阴极粗延时子程序+第ta2个阴极精细延时子程序后，PC工控机通过单片机的第三输出端控制阴极放电单元触发启动，放电单元中储能电容的负高压脉冲给加速阴极放电，加速阴极获得负高电压后，对潘宁阳极的脉冲等离子体通道内的自由电子进行纳秒级的脉冲电场加速，经过加速后形成非相对论性强流脉冲电子束，通过该电子束可对靶上目标物进行有目的处理。因此，本发明实现了采用粗延时和精细延时相结合的控制方法，达到逐级精准控制，能做到控制精确度为62.5纳秒，从而能高精度控制磁场、阳极和阴极放电单元中磁场和阳极放电开关以及阴极放电触发开关的导通，使得高能脉冲电子束流的打靶效果最好，进而能有效提高非相对论性强流脉冲电子束源的电能使用效率和对材料表面处理效果。

进一步，所述PC工控机与单片机之间通过USB-RS232通讯联网，所述PC工控机与波形记录仪之间通过USB通讯联网。

进一步，所述磁场放电单元包括晶闸管触发器Driver1、晶闸管V1和磁场储能电容C1，所述晶闸管触发器Driver1的一端与单片机的第一输出端连接，另一端与所述晶闸管V1的门极连接，所述晶闸管V1的阴极接地，阳极与所述磁场储能电容C1的正极连接，所述磁场储能电容C1的负极与强流二极管中亥姆霍兹线圈的一端连接。

进一步，所述阳极放电单元包括晶闸管触发器Driver2、晶闸管V2、阳极储能电容C2、隔离变压器T2、高压二极管D1和整形电容器C3，所述晶闸管触发器Driver2一端与单片机的第二输出端连接，另一端与所述晶闸管V2的门极连接，所述晶闸管V2的阴极接地，阳极与所述阳极储能电容C2的正极连接，所述阳极储能电容C2的负极与隔离变压器T2的原边绕组一端连接，原边绕组另一端接地，所述隔离变压器T2的副边绕组一端与高压二极管D1的阳极连接，所述高压二极管D1的阴极与整形电容器C3的一端和检测单元连接，所述整形电容器C3的另一端和隔离变压器T2的副边绕组另一端均接地。

进一步，所述阴极放电单元包括晶闸管触发器Driver3、晶闸管V3、触发储能电容C4、隔离变压器T3、三电极开关S1和阴极储能电容C5，所述晶闸管触发器Driver3一端与单片机的第三输出端连接，另一端与所述晶闸管V3的门极连接，所述晶闸管V3的阴极接地，阳极与所述触发储能电容C4的正极连接，所述触发储能电容C4的负极与隔离变压器T3的原边绕组一端连接，原边绕组另一端接地，所述隔离变压器T3的副边绕组一端与三电极开关S1的点火电极连接，所述三电极开关S1的阳极电极经阴极储能电容C5与检测单元连接，所述三电极开关S1的阴极电极接地。

进一步，所述检测单元包括检测电阻RP和RT、限流电阻R1和R2及四路电阻分压器R11和R12、R13和R14、R21和R22、R23和R24，所述检测电阻RP的一端与强流二极管中亥姆霍兹线圈的另一端连接，所述检测电阻RT的一端与强流二极管中靶电极连接，所述检测电阻RP和RT的另一端接地，所述限流电阻R1的一端与阳极放电单元和电阻R11的一端连接，所述限流电阻R1的另一端与强流二极管中的潘宁阳极和电阻R13的一端连接，所述电阻R11的另一端经电阻R12接地，所述电阻R13的另一端经电阻R14接地；所述所述限流电阻R2的一端与阴极放电单元和电阻R21的一端连接，所述限流电阻R2的另一端与强流二极管中的加速阴极和电阻R23的一端连接，所述电阻R21的另一端经电阻R22接地，所述电阻R23的另一端经电阻R24接地；所述电阻R11和R12之间的节点P11、电阻R13和R14之间的节点P12、电阻R21和R22之间的节点P21、电阻R23和R24之间的节点P22、靶电极和检测电阻RT之间的节点PT以及亥姆霍兹线圈另一端和检测电阻RP之间的节点PP分别与波形记录仪的对应输入通道连接。

进一步，所述参数na1和ta1根据公式t1’×10⁹＝na1×750+ta1×62.5分解按下式计算：

所述参数na2和ta2根据公式t2’×10⁹＝na2×750+ta2×62.5分解按下式计算：

其中，Mod为取模函数及向下取整函数。

进一步，所述单片机中延时调用程序内共有一个粗延时子程序和十二个精细延时子程序，相邻两个精细延时子程序内的空操作指令相差一条，执行一条空操作指令需要一个机器周期即62.5纳秒，而每调用一次粗延时子程序需十二个机器周期即750纳秒。

进一步，所述方法在步骤S6之后还包括复位步骤S7：所述单片机在阴极放电完成后触发信号保持750微秒。

进一步，通过所述PC工控机中的控制软件将阳极放电触发预设时延t1’替换为磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1，以及将阳极放电后的阴极放电触发预设时延t2’替换为阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2，多次循环执行步骤S1至S7，将磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1调节到磁场电流最大值点精确触发，以及将阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2调节到阳极电流最大值点精确触发。

附图说明

图1是本发明提供的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法流程示意图。

图2是本发明提供的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制***电路示意图。

图3是本发明提供的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法中磁场、阳极和阴极放电电流时序关系图。

图4是现有技术提供的非相对论性强流脉冲电子束源中低真空强流二极管的结构示意图。

图中，1、PC工控机；2、单片机；3、磁场放电单元；4、阳极放电单元；5、阴极放电单元；6、检测单元；7、波形记录仪；10、强流二极管；101、亥姆霍兹线圈连接线；102、第一亥姆霍兹线圈；103、第二亥姆霍兹线圈；104、第三亥姆霍兹线圈；105、亥姆霍兹线圈进线；106、亥姆霍兹线圈出线；107、潘宁阳极；108、阳极进线；109、加速阴极；110、阴极进线；111、靶电极；112、靶进线。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参考图1至图3所示，本发明提供一种非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，该方法采用了一种非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制***，所述非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制***包括PC工控机1、单片机2、磁场放电单元3、阳极放电单元4、阴极放电单元5、检测单元6和波形记录仪7；其中，所述PC工控机1的输出端与单片机2的输入端连接，所述单片机2的第一输出端经磁场放电单元3与现有非相对论性强流脉冲电子束源中低真空强流二极管中三个串联的亥姆霍兹线圈连接，所述单片机2的第二输出端依次经阳极放电单元4和检测单元6与强流二极管中的潘宁阳极AE连接，所述单片机2的第三输出端依次经阴极放电单元5和检测单元6与强流二极管中的加速阴极CE连接，所述检测单元6中用于检测磁场放电、阳极放电和阴极放电时的各个电压监测节点与波形记录仪7的输入通道连接，所述波形记录仪7的输出端与PC工控机1的输入端连接，以便通过PC工控机1计算磁场、阳极和阴极放电时各自的电流波形；

该方法包括如下步骤：

S1、通过所述PC工控机1中的控制软件预设磁场放电后的阳极放电触发预设时延t1’以及阳极放电后的阴极放电触发预设时延t2’，并在控制所述磁场放电单元3、阳极放电单元4和阴极放电单元5中的储能电容预充电结束后，所述控制软件根据公式t1’×10⁹＝na1×750+ta1×62.5分解计算出参数na1和ta1，na1和ta1均为舍弃小数点后的整数，其中t1’单位为秒，na1为阳极放电触发时延粗延时子程序大循环次数计数值，ta1为阳极放电触发时延精细延时子程序序号，且na1≥0、0≤ta1＜12；

S2、所述PC工控机1将计算出的参数na1和ta1下达给单片机2，所述单片机2接收到参数na1和ta1后立即更新自己缓冲区内的触发时延预定值并给PC工控机2反馈更新标志，并在更新成功后进入阴极放电触发时延t2’的参数处理，其处理流程与t1’相似：所述控制软件根据公式t2’×10⁹＝na2×750+ta2×62.5分解计算出参数na2和ta2，na2和ta2均为舍弃小数点后的整数，其中t2’单位为秒，na2为阴极放电触发时延粗延时子程序大循环次数计数值，ta2为阴极放电触发时延精细延时子程序序号，且na2≥0、0≤ta2＜12；若单片机2更新参数na1和ta1失败，则通过PC工控机1中的控制软件提示更新失败；

S3、所述PC工控机1将计算出的参数na2和ta2下达给单片机2，所述单片机2接收到参数na2和ta2后立即更新自己缓冲区内的触发时延预定值并给PC工控机反馈更新标志，并在更新成功后进入放电控制流程；若单片机2更新参数na2和ta2失败，则通过PC工控机1中的控制软件提示更新失败；

S4、设当前时间为t0时刻，所述PC工控机1中的控制软件给单片机2下发启动标志，所述单片机2在接收到下发启动标志后，立即从第一输出端P14输出磁场启动信号给磁场放电单元3，所述磁场放电单元3中的储能电容给亥姆霍兹线圈充电产生毫秒级的脉冲强磁场，磁场电流经检测单元6中对应的电压监测点检测后，接入波形记录仪7获得磁场电流波形；

S5、所述单片机2中的延时调用程序在磁场放电被调用了na1次阳极粗延时子程序+第ta1个阳极精细延时子程序后，即在磁场放电启动时需同时调用延时调用程序中的粗延时子程序na1次及调用延时调用程序中的第ta1个精细延时子程序一次，相对于t0时刻此刻为磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1，所述PC工控机1立即控制单片机2的第二输出端P15输出阳极启动信号给阳极放电单元4，所述阳极放电单元4中的储能电容给潘宁阳极AE放电形成寿命为微秒级的脉冲等离子体通道，阳极放电电流经检测单元6中对应的电压监测点检测后，接入波形记录仪7获得阳极放电电流波形；

S6、所述单片机2中的延时调用程序在阳极放电被调用了na2次阴极粗延时子程序+第ta2个阴极精细延时子程序后，即在阳极放电启动时需同时调用延时调用程序中的粗延时子程序na2次及调用延时调用程序中的第ta2个精细延时子程序一次，相对于t1时刻此刻为阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2，所述PC工控机1立即控制单片机2的第三输出端P16输出阴极启动信号给阴极放电单元5，所述阴极放电单元5中的储能电容产生负高压脉冲给加速阴极CE放电，加速阴极CE获得负高压脉冲后对潘宁阳极AE脉冲等离子体通道内的自由电子进行纳秒级的脉冲电场加速，经过加速后形成非相对论性强流脉冲电子束，阴极放电电流经检测单元6中对应的电压监测点检测后，接入波形记录仪7获得阴极放电电流波形。

与现有技术相比，本发明提供的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，在强流二极管内部气压达标后，PC工控机先设定磁场放电后的阳极放电触发预设时延t1’以及阳极放电后的阴极放电触发预设时延t2’，并在PC工控机给定软件程序控制各放电单元中储能电容充电，即形成磁场、阳极和阴极放电电路中电容初级储能后，PC工控机下发设定时间给单片机，再由单片机在特定时刻分别控制磁场、阳极和阴极放电单元。具体当磁场放电电路触发启动后，由磁场放电电路中储能电容给亥姆霍兹线圈充电产生毫秒级的脉冲强磁场；当单片机中的延时调用程序在磁场放电被调用了na1次阳极粗延时子程序+第ta1个阳极精细延时子程序后，PC工控机通过单片机的第二输出端控制阳极放电单元触发启动，然后由阳极放电电路中的储能电容给潘宁阳极放电形成阻抗极低的脉冲等离子体通道，该脉冲等离子体通道寿命约微秒级；最后，当单片机中的延时调用程序在阳极放电被调用了na2次阴极粗延时子程序+第ta2个阴极精细延时子程序后，PC工控机通过单片机的第三输出端控制阴极放电单元触发启动，放电单元中储能电容的负高压脉冲给加速阴极放电，加速阴极获得负高电压后，对潘宁阳极的脉冲等离子体通道内的自由电子进行纳秒级的脉冲电场加速，经过加速后形成非相对论性强流脉冲电子束，通过该电子束可对靶上目标物进行有目的处理。因此，本发明实现了采用粗延时和精细延时相结合的控制方法，达到逐级精准控制，能做到控制精确度为62.5纳秒，从而能高精度控制磁场、阳极和阴极放电单元中磁场和阳极放电开关以及阴极放电触发开关的导通，使得高能脉冲电子束流的打靶效果最好，进而能有效提高非相对论性强流脉冲电子束源的电能使用效率和对材料表面处理效果。

作为具体实施例，所述PC工控机1与单片机2之间通过现有USB-RS232通讯联网，所述PC工控机1与波形记录仪7之间通过现有USB通讯联网，由此可以在预置延时时间与反馈的实际放电延迟时间之间形成一个闭环反馈链，通过计算比较而获得两者的时间相对差异，为下一次预置延时时间设定指出调节方向和具体的时间长度。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述磁场放电单元3包括晶闸管触发器Driver1、晶闸管V1和磁场储能电容C1，所述晶闸管触发器Driver1的一端与单片机2的第一输出端P14连接，另一端与所述晶闸管V1的门极连接，所述晶闸管V1的阴极接地，阳极与所述磁场储能电容C1的正极连接，所述磁场储能电容C1的负极与强流二极管中亥姆霍兹线圈的一端连接。本实施例中磁场放电单元的工作原理为：单片机的第一输出端输出磁场启动信号，晶闸管触发器Driver1接收到启动信号后，将产生一个驱动脉冲加载到晶闸管V1的门极上，晶闸管V1将由阻态变为通态，磁场储能电容C1则将预充电荷对强流二极管中的三个亥姆霍兹线圈L1、L2和L3放电，在强流二极管内部产生轴向脉冲强磁场，用于引导之后的阳极放电等离子体即脉冲等离子体通道。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述阳极放电单元4包括晶闸管触发器Driver2、晶闸管V2、阳极储能电容C2、隔离变压器T2、高压二极管D1和整形电容器C3，所述晶闸管触发器Driver2一端与单片机2的第二输出端P15连接，另一端与所述晶闸管V2的门极连接，所述晶闸管V2的阴极接地，阳极与所述阳极储能电容C2的正极连接，所述阳极储能电容C2的负极与隔离变压器T2的原边绕组一端连接，原边绕组另一端接地，所述隔离变压器T2的副边绕组一端与高压二极管D1的阳极连接，所述高压二极管D1的阴极与整形电容器C3的一端和检测单元6连接，所述整形电容器C3的另一端和隔离变压器T2的副边绕组另一端均接地。本实施例中阳极放电单元的工作原理为：单片机的第二输出端输出阳极放电启动信号，晶闸管触发器Driver2接收到启动信号后，将产生一个驱动脉冲加载到晶闸管V2的门极上，晶闸管V2将由阻态变为通态，阳极储能电容C2则将预充电荷对隔离变压器T2原边放电，隔离变压器T2副边则输出一高压脉冲，经过高压二极管D1整流和整形电容器C3整形后，经检测单元6输出到强流二极管中的潘宁阳极上，引发潘宁阳极对加速阴极放电，在阳极与阴极之间产生阳极放电等离子体即脉冲等离子体通道。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述阴极放电单元5包括晶闸管触发器Driver3、晶闸管V3、触发储能电容C4、隔离变压器T3、三电极开关S1和阴极储能电容C5，所述晶闸管触发器Driver3一端与单片机2的第三输出端P16连接，另一端与所述晶闸管V3的门极连接，所述晶闸管V3的阴极接地，阳极与所述触发储能电容C4的正极连接，所述触发储能电容C4的负极与隔离变压器T3的原边绕组一端连接，原边绕组另一端接地，所述隔离变压器T3的副边绕组一端与三电极开关S1的点火电极连接，所述三电极开关S1的阳极电极经阴极储能电容C5与检测单元6连接，所述三电极开关S1的阴极电极接地。本实施例中阴极放电单元的工作原理为：单片机的第三输出端输出阴极放电启动信号，晶闸管触发器Driver3接收到启动信号后，将产生一个驱动脉冲加载到晶闸管V3的门极上，晶闸管V3将由阻态变为通态，触发储能电容C4则将预充电荷对隔离变压器T3原边放电，隔离变压器T3副边则输出一高压脉冲加载到三电极开关S1的点火电极上，三电极开关S1则由断态变为通态，阴极储能电容C5正极接地，其负极将产生一个高压脉冲经检测单元6后施加到强流二极管的加速阴极CE上，前一阶段产生的脉冲等离子体通道内的自由电子在阴极负高压电场中，将被脉冲电场加速、穿越空心潘宁阳极AE后轰击目标靶电极TE。

作为具体实施例，请参考图2所示，所述检测单元6包括检测电阻RP和RT、限流电阻R1和R2及四路电阻分压器R11和R12、R13和R14、R21和R22、R23和R24，所述检测电阻RP的一端与强流二极管中亥姆霍兹线圈L3的另一端连接，所述检测电阻RT的一端与强流二极管中靶电极TE连接，所述检测电阻RP和RT的另一端接地，所述限流电阻R1的一端与阳极放电单元4(高压二极管D1的阴极)和电阻R11的一端连接，所述限流电阻R1的另一端与强流二极管中的潘宁阳极AE和电阻R13的一端连接，所述电阻R11的另一端经电阻R12接地，所述电阻R13的另一端经电阻R14接地；所述所述限流电阻R2的一端与阴极放电单元5(阴极储能电容C5的负极)和电阻R21的一端连接，所述限流电阻R2的另一端与强流二极管中的加速阴极CE和电阻R23的一端连接，所述电阻R21的另一端经电阻R22接地，所述电阻R23的另一端经电阻R24接地；所述电阻R11和R12之间的节点P11、电阻R13和R14之间的节点P12、电阻R21和R22之间的节点P21、电阻R23和R24之间的节点P22、靶电极TE和检测电阻RT之间的节点PT以及亥姆霍兹线圈L3另一端和检测电阻RP之间的节点PP分别与波形记录仪7的对应输入通道连接。具体在本实施例中，磁场电流由检测电阻RP检测，检测电阻RP的阻值较小功耗较大，对磁场电流的限制作用忽略不计，检测电阻RP上的电压信号由电压监测节点PP接入波形记录仪7，以获得磁场电流波形并上传至PC工控机1中；阳极放电电流由限流电阻R1检测，即限流电阻R1兼作检测电阻，其功耗较大，以调整脉冲等离子体通道的最大浓度及寿命，检测电阻R1上的电流由R11和R12及R13和R14两组电阻分压器检测进出线各自的电压，并通过电压监测节点P11和P12接入波形记录仪7，再把信号做差集后获得阳极放电电流波形并上传至PC工控机1中；阴极放电电流由限流电阻R2检测，即限流电阻R2兼作检测电阻，其功耗较大，检测电阻R2上的电流由R21和R22及R23和R24两组电阻分压器检测进出线各自的电压，并通过电压监测节点P21和P22接入波形记录仪7，再把信号做差集后获得阴极放电电流波形并上传至PC工控机1中；靶电流由检测电阻RT检测，检测电阻RT阻值小功耗较大，通过电压监测节点PT接入波形记录仪7，获得靶电流波形，阴极放电电流波形会直接影响到靶电极TE上电流的持续时间、径向密度分布、被轰击靶表面光洁度、能量透入深度与梯度等效果。

本申请为了使靶电极TE上电流的径向密度分布均匀、持续时间、被轰击靶表面光洁度、能量透入深度和梯度等性能稳定，在设计控制***的基础上，设计了精确延时同步控制方法；即采用粗延时和精细延时组合的控制方法，该控制程序能做到更精确的控制各放电单元的放电时刻，延时精确度达到62.5ns。因此，在粗延时和精细延时组合的精确延时控制方法中，包含两个重要步骤：第一是预设时延t1’和t2’的粗延时与精细延时两个参数的分解，二是粗延时与精细延时的程序编写和调用，以下将先说明粗延时与精细延时两个参数的分解。

作为具体实施例，所述参数na1和ta1根据公式t1’×10⁹＝na1×750+ta1×62.5分解具体按下式计算得出：

所述参数na2和ta2根据公式t2’×10⁹＝na2×750+ta2×62.5分解具体按下式计算得出：

其中，Mod为取模函数及向下取整函数。

在前述计算公式(1)中，当t1’<750时，na1＝0；当750<t1’<1500时，na1＝1；当1500<t1’<2250时，na1＝2；……；na2的计算与na1相似。

在前述计算公式(2)中，ta1是t1’总延时剔除整数个750纳秒后，在0→750纳秒范围内的纳秒时间余数中，所包含的精细延时空操作单周期指令数；ta2的计算与ta1相似。

同时，前述公式中t1’和t2’的时间单位是以秒来设置的，所以需要乘以10⁹转化为纳秒，而本领域的技术人员应当明白，也可以将t1’和t2’直接设置为整数纳秒，以简化运算。

以下将对粗延时与精细延时的程序编写和调用进行说明：

硬件电路各元件实际参数表明，磁场放电持续时间比较长，磁场放电电流波前的持续时间也较长，故na1一般为正整数；阳极放电电流波前的持续时间一般大于1微秒，而更短的波前持续时间不采用，因为持续时间太短会导致等离子体发展不充分，所以na2一般也为正整数，故阳极放电时延和阴极放电时延均需要调用粗延时子程序。

在计算精细延时时，可能会遇到ta1＝0或者ta2＝0的特殊情况，因而需要特别处理。因为执行一次子程序调用，所花费的时间由两部分组成：执行子程序函数体所花费的时间和子程序内部指令所花费的时间。如果触发启动程序中遇到精细延时计数为0这种情况后，不调用子程序，也就不会花费调用执行子程序函数体所需要的时间；但精细延时计数为1至11这11个数时，触发启动程序又需要调用延时子程序，会花费执行函数体的时间，以上这个矛盾会导致精细延时只能不等间隔连续可调。

为使精细延时能等间隔连续可调，编写12个精细延时子程序，第0个精细延时子程序内部有一条空操作指令，对应精细延时计数为0的情况；第1个精细延时子程序内部有两条空操作指令，对应精细延时计数为1的情况；......；第11个精细延时子程序内部有十二条空操作指令，对应精细延时计数为11的情况。

而一个16M单指令周期指令的C51单片机，调用一次只含一条空操作指令nop的粗延时程序的循环体需11个机器周期和一个空操作指令的1个机器周期，则每调用一次粗延时控制程序需12个机器周期即750纳少；执行一个空操作指令，需要一个机械器周期即62.5纳秒，因此可以运用空操作指令nop的叠加来控制时间的精确控制。

据此作为具体实施例，所述单片机中延时调用程序内共有一个粗延时子程序和十二个精细延时子程序Delay6250ns～Delay62511ns，相邻两个精细延时子程序内的空操作指令相差一条，执行一条空操作指令需要一个机器周期即62.5纳秒，而每调用一次粗延时子程序需十二个机器周期即750纳秒。

具体延时调用程序中粗延时子程序和精细延时子程序0如下所示：

粗延时子程序和精细延时子程序的特征在于：

1)、粗延时子程序中参数n为所需延迟时间有多少个粗延时循环，其中_nop_()指令为空操作指令，在单周期指令单片机中占用1个机器周期；当n＝1时，粗延时子程序执行时间为12个机器周期；当n＝k时，粗延时子程序执行时间为12*k个机器周期。当采用16MHz单指令周期的单片机，n＝k时，粗延时子程序执行时间t＝k*12/(16*1000000)秒，即t＝k*0.75微秒或者k*750ns。

2)、精细延时子程序0至11各子程序函数体均一致，其花费的时间均相等；各子程序内部nop指令个数依次多1个，因此前述只示出了精细延时子程序0。在单周期指令单片机中，依次多用1个机器周期，即依次多tx＝1/(16*1000000)s，即t＝62.5ns。调用精细延时子程序0时，子程序内部有1个nop指令；当调用精细延时子程序1时，子程序内部有2个nop指令，比精细延时子程序0多1个nop指令；由此当调用精细延时子程序11时，子程序内部有12个nop指令，比精细延时子程序0多11个nop指令，比粗延时子程序执行花费的时间12个机器周期仅少执行一个nop指令的时间，即一个粗延时子程序的延迟时间比精细延时子程序11多1个nop指令周期的延迟时间。也就是说，若当前粗延时循环次数为X，精细延迟已经调用精细延时子程序11时，如果还要延迟62.5ns时间，则粗延时循环次数应该变为X+1，精细延迟应该调用精细延时子程序0，这样才能做到延迟时间可以等间隔连续调节。

作为具体实施例，所述方法在步骤S6之后还包括复位步骤S7：所述单片机2在阴极放电完成后触发信号保持750微秒，由此对P14～P16各输出端引脚信号进行复位，以为下一次各放电单元释放电能做好准备。

作为具体实施例，所述PC工控机1对波形记录仪7上传的磁场电流波形、阳极放电电流波形和阴极放电电流波形的进行计算，获得磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1以及阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2，有了第一个阳极放电触发实际时延t1以及阴极放电触发实际时延t2后，比较阳极放电触发预设时延t1’和阴极放电触发预设时延t2’，分析实际值与预设值之间的相对时差，再进行预定值修正。具体地，通过所述PC工控机中的控制软件将阳极放电触发预设时延t1’替换为磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1，以及将阳极放电后的阴极放电触发预设时延t2’替换为阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2，多次循环执行步骤S1至S7，将磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1调节到磁场电流最大值点精确触发，以及将阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2调节到阳极电流最大值点精确触发，即经过多次实验，将阳极放电触发实际时延t1以及阴极放电触发实际时延t2调整到：当磁场电流Im达到最大时刻A点触发阳极放电单元即单片机运用粗延时和精细延时控制阳极放电单元在t1时刻精确触发；同理，在阳极电流Ia达到最大时刻B点触发阴极放电单元即单片机运用粗延时和精细延时控制阴极放电单元在t2时刻精确触发阴极点火，产生阴极加速电压的电流Ic，阴极加速电压的电流Ic为负值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，该方法采用了一种非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制***，所述非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制***包括PC工控机、单片机、磁场放电单元、阳极放电单元、阴极放电单元、检测单元和波形记录仪；其中，所述PC工控机的输出端与单片机的输入端连接，所述单片机的第一输出端经磁场放电单元与强流二极管中的亥姆霍兹线圈连接，所述单片机的第二输出端依次经阳极放电单元和检测单元与强流二极管中的潘宁阳极连接，所述单片机的第三输出端依次经阴极放电单元和检测单元与强流二极管中的加速阴极连接，所述检测单元中用于检测磁场放电、阳极放电和阴极放电时的各个电压监测节点与波形记录仪的输入通道连接，所述波形记录仪的输出端与PC工控机的输入端连接；

该方法包括如下步骤：

S1、通过所述PC工控机中的控制软件预设磁场放电后的阳极放电触发预设时延t1’以及阳极放电后的阴极放电触发预设时延t2’，并在控制所述磁场放电单元、阳极放电单元和阴极放电单元中的储能电容预充电结束后，所述控制软件根据公式t1’×10⁹＝na1×750+ta1×62.5分解计算出参数na1和ta1，na1和ta1均为舍弃小数点后的整数，其中t1’单位为秒，na1为阳极放电触发时延粗延时子程序大循环次数计数值，ta1为阳极放电触发时延精细延时子程序序号，且na1≥0、0≤ta1＜12；

S2、所述PC工控机将计算出的参数na1和ta1下达给单片机，所述单片机接收到参数na1和ta1后立即更新自己缓冲区内的触发时延预定值并给PC工控机反馈更新标志，并在更新成功后进入阴极放电触发时延t2’的参数处理，其处理流程与t1’相似：所述控制软件根据公式t2’×10⁹＝na2×750+ta2×62.5分解计算出参数na2和ta2，na2和ta2均为舍弃小数点后的整数，其中t2’单位为秒，na2为阴极放电触发时延粗延时子程序大循环次数计数值，ta2为阴极放电触发时延精细延时子程序序号，且na2≥0、0≤ta2＜12；

S3、所述PC工控机将计算出的参数na2和ta2下达给单片机，所述单片机接收到参数na2和ta2后立即更新自己缓冲区内的触发时延预定值并给PC工控机反馈更新标志，并在更新成功后进入放电控制流程；

S4、设当前时间为t0时刻，所述PC工控机中的控制软件给单片机下发启动标志，所述单片机在接收到下发启动标志后，立即从第一输出端输出磁场启动信号给磁场放电单元，所述磁场放电单元中的储能电容给亥姆霍兹线圈充电产生毫秒级的脉冲强磁场，磁场电流经检测单元中对应的电压监测点检测后，接入波形记录仪获得磁场电流波形；

S5、所述单片机中的延时调用程序在磁场放电被调用了na1次阳极粗延时子程序+第ta1个阳极精细延时子程序后，相对于t0时刻此刻为磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1，所述PC工控机立即控制单片机的第二输出端输出阳极启动信号给阳极放电单元，所述阳极放电单元中的储能电容给潘宁阳极放电形成寿命为微秒级的脉冲等离子体通道，阳极放电电流经检测单元中对应的电压监测点检测后，接入波形记录仪获得阳极放电电流波形；

S6、所述单片机中的延时调用程序在阳极放电被调用了na2次阴极粗延时子程序+第ta2个阴极精细延时子程序后，相对于t1时刻此刻为阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2，所述PC工控机立即控制单片机的第三输出端输出阴极启动信号给阴极放电单元，所述阴极放电单元中的储能电容产生负高压脉冲给加速阴极放电，加速阴极获得负高压脉冲后对潘宁阳极脉冲等离子体通道内的自由电子进行纳秒级的脉冲电场加速，经过加速后形成非相对论性强流脉冲电子束，阴极放电电流经检测单元中对应的电压监测点检测后，接入波形记录仪获得阴极放电电流波形。

2.根据权利要求1所述的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，所述PC工控机与单片机之间通过USB-RS232通讯联网，所述PC工控机与波形记录仪之间通过USB通讯联网。

3.根据权利要求1所述的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，所述磁场放电单元包括晶闸管触发器Driver1、晶闸管V1和磁场储能电容C1，所述晶闸管触发器Driver1的一端与单片机的第一输出端连接，另一端与所述晶闸管V1的门极连接，所述晶闸管V1的阴极接地，阳极与所述磁场储能电容C1的正极连接，所述磁场储能电容C1的负极与强流二极管中亥姆霍兹线圈的一端连接。

4.根据权利要求1所述的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，所述阳极放电单元包括晶闸管触发器Driver2、晶闸管V2、阳极储能电容C2、隔离变压器T2、高压二极管D1和整形电容器C3，所述晶闸管触发器Driver2一端与单片机的第二输出端连接，另一端与所述晶闸管V2的门极连接，所述晶闸管V2的阴极接地，阳极与所述阳极储能电容C2的正极连接，所述阳极储能电容C2的负极与隔离变压器T2的原边绕组一端连接，原边绕组另一端接地，所述隔离变压器T2的副边绕组一端与高压二极管D1的阳极连接，所述高压二极管D1的阴极与整形电容器C3的一端和检测单元连接，所述整形电容器C3的另一端和隔离变压器T2的副边绕组另一端均接地。

5.根据权利要求1所述的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，所述阴极放电单元包括晶闸管触发器Driver3、晶闸管V3、触发储能电容C4、隔离变压器T3、三电极开关S1和阴极储能电容C5，所述晶闸管触发器Driver3一端与单片机的第三输出端连接，另一端与所述晶闸管V3的门极连接，所述晶闸管V3的阴极接地，阳极与所述触发储能电容C4的正极连接，所述触发储能电容C4的负极与隔离变压器T3的原边绕组一端连接，原边绕组另一端接地，所述隔离变压器T3的副边绕组一端与三电极开关S1的点火电极连接，所述三电极开关S1的阳极电极经阴极储能电容C5与检测单元连接，所述三电极开关S1的阴极电极接地。

6.根据权利要求1所述的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，所述检测单元包括检测电阻RP和RT、限流电阻R1和R2及四路电阻分压器R11和R12、R13和R14、R21和R22、R23和R24，所述检测电阻RP的一端与强流二极管中亥姆霍兹线圈的另一端连接，所述检测电阻RT的一端与强流二极管中靶电极连接，所述检测电阻RP和RT的另一端接地，所述限流电阻R1的一端与阳极放电单元和电阻R11的一端连接，所述限流电阻R1的另一端与强流二极管中的潘宁阳极和电阻R13的一端连接，所述电阻R11的另一端经电阻R12接地，所述电阻R13的另一端经电阻R14接地；所述所述限流电阻R2的一端与阴极放电单元和电阻R21的一端连接，所述限流电阻R2的另一端与强流二极管中的加速阴极和电阻R23的一端连接，所述电阻R21的另一端经电阻R22接地，所述电阻R23的另一端经电阻R24接地；所述电阻R11和R12之间的节点P11、电阻R13和R14之间的节点P12、电阻R21和R22之间的节点P21、电阻R23和R24之间的节点P22、靶电极和检测电阻RT之间的节点PT以及亥姆霍兹线圈另一端和检测电阻RP之间的节点PP分别与波形记录仪的对应输入通道连接。

7.根据权利要求1所述的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，所述参数na1和ta1根据公式t1’×10⁹＝na1×750+ta1×62.5分解按下式计算：

所述参数na2和ta2根据公式t2’×10⁹＝na2×750+ta2×62.5分解按下式计算：

其中，Mod为取模函数及向下取整函数。

8.根据权利要求1所述的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，所述单片机中延时调用程序内共有一个粗延时子程序和十二个精细延时子程序，相邻两个精细延时子程序内的空操作指令相差一条，执行一条空操作指令需要一个机器周期即62.5纳秒，而每调用一次粗延时子程序需十二个机器周期即750纳秒。

9.根据权利要求1所述的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，所述方法在步骤S6之后还包括复位步骤S7：所述单片机在阴极放电完成后触发信号保持750微秒。

10.根据权利要求9所述的非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法，其特征在于，通过所述PC工控机中的控制软件将阳极放电触发预设时延t1’替换为磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1，以及将阳极放电后的阴极放电触发预设时延t2’替换为阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2，多次循环执行步骤S1至S7，将磁场放电后的阳极放电触发实际时延t1调节到磁场电流最大值点精确触发，以及将阳极放电后的阴极放电触发实际时延t2调节到阳极电流最大值点精确触发。

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