基于marx发生器的高压脉冲电子束源的设计

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1、基于Marx发生器的高压脉冲电子束源的设计古亮陈龙尹泽龙孙军重庆理工大学电气与电子工程学院摘要：针对当前30KV的电子束发生装置阴极脉冲加速电压幅值低，材料表面处理透入深度太浅的问题，设计了一种基于Marx发生器的高压脉冲电子束源。建立以Marx发生器为核心的高压脉冲电子束源，解决了电子束源阴极电压幅值较低的问题。该束源主要包括d咏冲磁场发生模块、阳极潘宁放电模块、阴极放电模块、控制模块与真空模块。此Marx发生器的高压脉冲电子束源，具有电压等级高、体积小、材料表面处理透入深等特点。关键词：Ma

2、rx发牛.器;电子束源;阴极;高电压;目前，电子束装置己广泛应用于材料表面改性中，特别是在金属或者非金属材料表面改性的科研中。但由于我国电子束发展较慢，大部分设备只能从国外进U,其价格贵且使用效果不佳。随着脉冲功率技术的发展，为了能够降低电子束装置成本，提高电子束表而改性效果，脉冲功率技术成为当前研宂的一个热点技术［1-2］。当前电子朿存在着阴极电压幅值不高，从而导致表面处理时透入深度太浅，降低了电子束源的使用效果。例如俄罗斯西伯利亚强流研究所开发的6un直径人束斑强流电子束的加速电压仅30kV

3、,对普通钢材等的表面处理透入深度仅在数微米范围，远不及激光表面处理的钢材透入深度。针对传统的电子束装置在材料表面改性中透入深度不高、电子束能量分布不均匀、束源结构杂等问题位1。提出了一种基于Marx发生器、STC12C5A60S2单片机的高压脉冲电子朿源系统。此电子束源具有高电压、小体积、低故障放电率等特点，可冇效的解决的传统电子束装置所存在的问题。1系统设计方案电子束源主要由5个部分构成：脉冲磁场发生模块、阳极潘宁放电模块、阴极放电模块、控制模块、真空模块。整体系统结构如图1所示。脉冲磁场发生

4、模块通过电容放电，放电电流在亥姆霍兹线圈屮产土较均匀磁场。阳极潘宁放电模块在阳极与靶材之间产生潘宁放电等离子体，其密度较大，可降低阴极与靶之间的空间等效阻抗。阴极放电模块通过控制触发阴极点火，使其放电，形成最终的高能电子束打靶。控制模块主要负责控制磁场发生、阳极潘宁放电、阴极强流电子束之间的触发时序。真空模块主要负责控制真空腔A的真空度，以达到电子束产生的条件。图1强流电子朿源系统结构图下载原图在整个系统中，电子束的能量密度是决定材料表面处理时的关键。其公式计算总电子束能量为：其中T是加速电压脉

5、冲持续时间£11。电子束能景密度公式为:可以得出电子束的能量密度是由加速电压VaE(t)和电子束电流Ib⑴来决定。因此阴极放电模块是整个电子束源的核心所在。2阴极放电模块阴极采用紧凑型Marx发生器直接驱动阴极二极管，在脉冲导向磁场与阳极潘宁放电产生的等离子通道的配合下，形成高压脉冲电子束。2.1Marx发生器工作原理紧凑型Marx发生器的结构简单，具有电压高、体积小等特点。其原理图如图2所示。其屮C为储能电容器，K:为可控触发开关，其余级开关为自击穿开关，R为充电电阻。充电过程中，充电电源的能

6、量由主电容及限流电阻所吸收，其充电时的充电公式为：其中，U为电容两端电压，U0为电源电压。在充电过程中，电容电压幅值的改变与充电常数T有关。Marx发生器的输出电压IU与其电容充电电压U成正比关系，即UQUt=nUG1。其工作原理为电容器并联充电，串联放电。当充电完成后，可控触发开关K:导通，主电容C1和匕进行串联放电，使得自触发火花开关K2两端电压差为2U。，超过其击穿电压Ue,则第二级自触发火花开关导通。同理可得第三级开关两端节点电压也会变为2U。，使其导通包1。以此类推并最终可形成与Mar

7、x发生器自身电容级数成正比的高压脉冲。其建立时间一般从纳秒到微秒级不等。图2Marx发生器原理图下载原图2.2电容器的选择Marx发生器通过多级电容器并联充电、串联放电来产生所需要的电压。综合考虑高电压、环境问题、可靠性等条件，选择CB80高压电容器。CB80可用于电子设备的倍压等直流脉冲电路，其标称容量3000PF，额定电压±30kV，可在-10°>55°温度下长时间工作。电容器在正常大气条件下两引线间绝缘电阻大于2X10Q,两引线间可承受1.5倍额定直流工作电压丑无击穿和飞弧现象。2.3Ma

8、rx发生器结构设计由于此类强流电子束需要较高的输出电压，根据Marx级数与电压输出效率的关系曲线以及从安全性能等因素考虑U1，采用20级Marx。Marx发生器的结构如图3所示。当Marx发生器进行放电时，第一级电容承受较大的电压，此级电容采用4个同型号的CB80电容组成第一级耐压电容组，该电容组由电容两两并联后再进行串联，以增大该耐压能力和整体稳定性。充电电阻和接地电阻为500kQ的电阻。开关部分包括两类开关：（1）球间隙触发开关（第一级开关GJ;（2）自击穿火花开关（其余级开关）。第一级开关