小束斑電子束脈沖轟擊偏壓電源的研制*

范 愷，許海鷹, 楊 波, 桑興華

（中國航空制造技術(shù)研究院高能束流加工技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100024）

受控?zé)岷司圩兪且环N理想的清潔能源，但有效利用這種聚變能，在國際上還存在諸多技術(shù)難題，其關(guān)鍵問題之一就是面向高溫等離子體的第一壁結(jié)構(gòu)材料的選擇[1-2]。目前國內(nèi)外常用的材料有鎢、碳基材料和鈹?shù)?。等離子體與第一壁的相互作用主要產(chǎn)生兩方面結(jié)果，一是粒子流和能量流轟擊器壁產(chǎn)生雜質(zhì)，雜質(zhì)進(jìn)入主約束區(qū)，對等離子體約束和品質(zhì)產(chǎn)生不利影響；二是粒子流和能量流轟擊器壁[3-4]，造成第一壁材料損傷。因此，對第一壁的損傷防護(hù)將成為受控?zé)岷司圩冎兄匾难芯績?nèi)容之一。

由于聚變反應(yīng)條件十分苛刻，研究耗資巨大，世界上建立了多種不同的測試設(shè)備進(jìn)行高熱復(fù)合模擬試驗，其中包括電子束、等離子體束和離子束技術(shù)。目前聚焦電子束技術(shù)已經(jīng)十分成熟，大部分高熱流測試設(shè)備都是用能量聚焦的電子束為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗[5-6]。

目前，脈沖電子束發(fā)生大多采用一種強(qiáng)束流脈沖電子束設(shè)備，其電壓通常為幾十千伏，輸出電流為100kA以上，這種設(shè)備制造技術(shù)難度大，應(yīng)用條件苛刻，難以適應(yīng)高熱復(fù)合模擬試驗技術(shù)的發(fā)展對脈沖電子束設(shè)備的要求。因此，本研究針對脈沖轟擊電源在電子束電源系統(tǒng)中的作用，比較了目前常用的逆變及斬波脈沖電源后，設(shè)計了一種新型的脈沖偏壓電源結(jié)構(gòu)，包括脈沖轟擊電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制電路，通過調(diào)節(jié)高壓隔離變壓器前級低壓電路方式生成脈沖偏壓，通過控制前級低壓電路實(shí)現(xiàn)偏壓脈沖頻率、幅值和占空比的調(diào)節(jié)，對應(yīng)實(shí)現(xiàn)脈沖束流頻率、幅值和占空比連續(xù)可調(diào)，此模式相對于常用的后級高壓控制簡單可靠。采用基于該電源的小束斑脈沖轟擊設(shè)備對鎢合金進(jìn)行小束斑轟擊試驗，初步探討了小束斑電子束脈沖對鎢合金組織性能的影響及變化規(guī)律。

圖1 脈沖電子束轟擊電源示意圖Fig.1 Schematic diagram of pulsed electron beam bombardment power supply

圖2 束流與偏壓關(guān)系示意圖Fig.2 Relationship between beam current and gate bias voltage

圖3 脈沖束流與脈沖偏壓關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between pulsed beam current and pulse bias

1 脈沖偏壓電源電路設(shè)計

1.1 偏壓電源作用

為實(shí)現(xiàn)三級電子槍正常工作，需要脈沖電子束轟擊電源同時具備加速電源、燈絲加熱電源及偏壓電源3套電源。脈沖電子束轟擊電源結(jié)構(gòu)如圖1所示[7-8]。

脈沖偏壓電源產(chǎn)生一個相對于燈絲為負(fù)的電壓，懸浮于加速電源上，實(shí)現(xiàn)對電子束流大小的控制。電子束流和偏壓對應(yīng)關(guān)系如圖2所示,可以看出，輸出束流隨著偏壓的增大而減小，當(dāng)偏壓高于一定電壓值后，無束流產(chǎn)生。

脈沖偏壓電源施加的偏壓如圖3（a）所示，對應(yīng)產(chǎn)生的脈沖束流如圖3（b）所示。

可以看出，當(dāng)偏壓為脈沖偏壓Up時，由于偏壓對電子束的抑制作用，無束流產(chǎn)生，當(dāng)偏壓為基值偏壓Ub時，對應(yīng)產(chǎn)生脈沖束流為Ib。通過調(diào)整基值偏壓Ub的大小來調(diào)整脈沖束流Ib的大小，通過調(diào)整脈沖偏壓的頻率和占空比調(diào)整脈沖束流的頻率和占空比。

本研究所設(shè)計偏壓電源與傳統(tǒng)的經(jīng)典電子槍偏壓電源有所不同，體現(xiàn)在偏壓的控制上。主要創(chuàng)新有兩點(diǎn)：（1）常規(guī)的電子束偏壓電源如改為脈沖輸出，不容易實(shí)現(xiàn)脈沖束流值大小的靈活調(diào)節(jié)，其束流值是在0V到最大值之間跳動。而本研究所設(shè)計偏壓電源，由于將其分為基值電路和脈沖電路兩部分，脈沖電路對應(yīng)控制其輸出電壓的頻率、占空比和脈寬等參數(shù)，而控制其束流大小的基值電壓幅值是可調(diào)的，這就可以實(shí)現(xiàn)對脈沖束流從0V到最大值之間任意大小的靈活調(diào)節(jié)。（2）相對于在高壓部分進(jìn)行調(diào)節(jié)的偏壓電源，本研究所設(shè)計的電源易于控制，而且偏壓脈沖電源是懸浮于-60kV的加速電壓上工作，引入了變壓器隔離之后，前級低壓控制電路和后級高壓電路被隔離開，減小了高壓放電對電源低壓電路及電網(wǎng)上其他設(shè)備造成的干擾，整個電源安全系數(shù)較高。

1.2 偏壓電源主電路設(shè)計

脈沖偏壓主電路拓?fù)淙鐖D4所示，主要結(jié)構(gòu)包括前級低壓控制電路、偏壓變壓器和整流濾波電路。

前級低壓控制電路由偏壓基值發(fā)生電路及偏壓脈沖發(fā)生電路兩部分電路構(gòu)成。偏壓基值發(fā)生電路控制電路部分為由振蕩發(fā)生電路、偏壓信號給定電路及輸出電路3部分構(gòu)成的基值定頻調(diào)幅電路，如圖4所示，前級低壓控制電路中，定頻調(diào)幅電路輸出方波經(jīng)過1∶60的功率偏壓變壓器，將輸入的15V低壓交流電轉(zhuǎn)換為900V頻率相同的交流電。偏壓變壓器將原邊電壓升壓，最后經(jīng)由整流電路B1和濾波電容C1組成的整流濾波電路將交流方波整流為直流。

偏壓脈沖發(fā)生電路低壓控制部分為由振蕩發(fā)生電路、脈沖信號給定電路及輸出電路3部分構(gòu)成的脈沖定頻調(diào)幅電路。脈沖定頻調(diào)幅電路輸出一定頻率的脈沖交流，連接到偏壓變壓器T2原邊，偏壓變壓器將原邊電壓升壓，最后經(jīng)由整流電路B2和濾波電容C2組成的整流濾波電路將交流方波整流為脈沖電壓。

該電路工作過程有兩種模式，當(dāng)不需要輸出束流時，即基值發(fā)生電路和脈沖發(fā)生電路均輸出電壓時，測量整流濾波電路的輸出電壓Uo，由于基值電路輸出電壓U1和脈沖發(fā)生電路輸出值U2相串聯(lián)，且兩電路由同一給定信號并聯(lián)輸入，當(dāng)基值電壓U1降低一定電壓值ΔU時，相應(yīng)的U2同時增加ΔU，故在輸出端測得偏壓Uo=U1+U2為穩(wěn)定不變的直流電壓，此時無電子束輸出。

當(dāng)有束流輸出時，即偏壓基值發(fā)生電路有輸出電壓U1，而偏壓脈沖發(fā)生電路輸出電壓U2=0時，由于脈沖發(fā)生電路輸出為0V，故整流濾波電路輸出端電壓為基值電壓輸出，即Uo=U1，此時有電子束輸出，束流大小與偏壓基值電路輸出電壓相關(guān)，低基值偏壓對應(yīng)大束流值。

圖4 脈沖偏壓電源主電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Main circuit structure of pulse bias power supply

圖5 偏壓給定信號電路圖Fig.5 Bias voltage given signal circuit diagram

圖6 輸出電路調(diào)節(jié)原理圖Fig.6 Adjustment schematic of output circuit

1.3 偏壓電源控制電路設(shè)計

偏壓電源控制電路主要為前級低壓控制電路，其中輸出電路及給定信號的控制調(diào)節(jié)為控制電路主要部分。

圖5為偏壓給定信號電路圖，圖5（a）為偏壓基值給定信號電路，輸入給定電壓Ug，經(jīng)運(yùn)放A1將信號放大后，通過開關(guān)二極管與輸出電路串聯(lián)，輸出基值給定電壓Ub。圖5（b）為偏壓脈沖給定信號電路，其中脈沖信號發(fā)生電路主要產(chǎn)生脈沖頻率、占空比幅值可調(diào)的脈沖電壓，將其作用于偏壓給定信號時，脈沖給定輸出電壓Up被拉低為0V。在輸入同一給定信號Ug時，可以看出基值及脈沖兩個輸出給定信號為幅值相同，相位相反的直流電壓。經(jīng)輸出模塊，輸出幅值相同，相位相反的方波，經(jīng)偏壓變壓器升壓，整流濾波電路輸出串聯(lián)后，輸出穩(wěn)定不變的直流偏壓。

圖6為輸出電路調(diào)節(jié)原理圖，振蕩電路與偏壓信號通過開關(guān)二極管并聯(lián)輸出后，通過R1輸入運(yùn)放A4負(fù)輸入端，在偏壓基值電路中，當(dāng)輸入信號為偏壓給定信號時，電壓由0V向正跳變，由于電容C1的充電作用，運(yùn)放負(fù)輸入端產(chǎn)生一個短時間正電壓，導(dǎo)致運(yùn)放輸出端輸出負(fù)電壓，此時三極管Q2導(dǎo)通，輸出電壓為正，當(dāng)輸入信號為振蕩方波低電平時，電壓由正電壓向0V跳轉(zhuǎn)，由于電容C1的放電作用，運(yùn)放負(fù)輸入端產(chǎn)生一個短時間負(fù)電壓，導(dǎo)致運(yùn)放輸出正電壓，并保持穩(wěn)定不變，此時三極管Q1導(dǎo)通，輸出電壓為負(fù)，在一個完整周期內(nèi)，輸出一個完整方波信號，此方波信號頻率與定頻調(diào)幅電路頻率相同。

偏壓脈沖產(chǎn)生電路調(diào)節(jié)過程為：由偏壓脈沖電路輸出頻率幅值和占空比一定的交流脈沖波，對其采樣后輸入DSP對反饋值進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)算處理，輸出信號對脈沖發(fā)生電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制其輸出脈沖的頻率和占空比。從而控制偏壓給定信號的頻率及占空比，完成對整個偏壓脈沖電路的調(diào)節(jié)。

脈沖束流控制原理圖如圖7所示，在 [0～t1]時間內(nèi)，無脈沖信號給出，偏壓基值電路及偏壓脈沖電路均正常輸出電壓，整流濾波電路正常輸出，偏壓輸出為一幅值固定的直流電，此時無束流輸出。

[t1～t2]時間內(nèi)，有脈沖信號，此時偏壓基值電路正常輸出電壓，偏壓脈沖電路中，偏壓給定信號電位拉低為0V，無給定信號，電壓輸出為0V，基值整流濾波電路正常輸出，偏壓脈沖整流濾波電路無輸出，偏壓電壓值即為基值電壓，電子束輸出束流。由圖7中可以看出，控制基值電壓輸出，可調(diào)節(jié)束流輸出值，控制外部脈沖輸入信號關(guān)斷的頻率和占空比，可控制脈沖輸出的頻率和占空比，從而調(diào)節(jié)束流頻率和占空比。

圖7 脈沖束流工作時序圖Fig.7 Working sequence of pulsed beam

圖8 偏壓電源輸入輸出對應(yīng)關(guān)系圖Fig.8 Bias power supply input and output correspondence diagram

1.4 束流采樣電路設(shè)計

當(dāng)電子束流從電子槍陰極發(fā)射，經(jīng)聚焦線圈匯聚轟擊工件時，此過程可等效成有相同大小的電流從陽極流入陰極。因此為測量電子束流大小，可在主回路中串入采樣電阻，通過測量采樣電阻兩端電壓來求得束流值大小。由于通過電阻的電壓和電流的線性關(guān)系，選取合適的電阻，即可將采樣電阻的電壓信號Ub轉(zhuǎn)換成所需的束流反饋信號Ib。Rb取樣電阻用90Ω精密電阻，可計算當(dāng)電壓為9V時，轟擊束流為100mA。束流計算方式為：

2 試驗

2.1 空載無脈沖信號輸入試驗

不連接電子槍，空載，無脈沖信號時，偏壓給定信號從0V逐漸增加，記錄對應(yīng)的整流濾波電路串聯(lián)輸出直流電壓，直至偏壓給定信號增至最大5V。檢測結(jié)果如圖8所示。

可以看出，當(dāng)電壓從0V開始增大時，對應(yīng)的輸出電壓為1.91kV，隨著給定電壓逐漸增大，輸出的偏壓值略有波動，但最小電壓為1.87kV，最大電壓值為1.93kV，可以說串聯(lián)輸出直流電壓隨著偏壓給定信號的增大基本保持不變，輸出偏壓較為穩(wěn)定。圖9為偏壓給定信號為3V時，利用TPS2024示波器采樣得到的整流濾波電路輸出直流電壓值。

2.2 轟擊試驗

利用航空工業(yè)北京航空制造工程研究所自制電子槍，1m3真空室及相配套的加速電源、燈絲加熱電源、本研究所研制的脈沖偏壓電源所組成的脈沖電子束轟擊電源對10mm×10mm的W90合金進(jìn)行電子束表面轟擊試驗，具體轟擊參數(shù)如表1所示。試驗中所有試樣轟擊距離為260mm，轟擊次數(shù)為100次。

在加速電壓、基值電壓、給定束流相同的情況下，不同脈寬頻率得到的電子束大小是不同的，在加速電壓30kV，基值電壓300V，給定束流27mA的條件下，隨著脈寬從0.5s增加至2s，束流反饋值略有增大，從23mA增加至24.8mA。這可能是由于上升沿時間較長所導(dǎo)致，可以看出負(fù)載情況下反饋束流值并沒有達(dá)到給定值，但已滿足一般脈沖電子束轟擊逆變電源要求。當(dāng)加速電壓、轟擊頻率、脈寬、占空比相同時，可以看出隨著基值電壓的降低，電子束流值增大，且線性度較好。

當(dāng)轟擊條件為給加速電壓30kV，給定束流40mA，轟擊頻率1Hz，占空比10%時，在90?采樣電阻上檢測到束流反饋信號為3.4V，在此試驗條件下測得偏壓電源輸出波形圖，輸出電壓基本穩(wěn)定、可調(diào)性好，滿足轟擊電源穩(wěn)定輸出的要求。

圖9為7號試樣與未轟擊合金表面金相組織圖。電子束與材料表面作用時，攜帶能量瞬間沉積在表面，沉積能量轉(zhuǎn)化為比內(nèi)能，使材料表面組織發(fā)生變化[9-10]，多次轟擊后，材料表面重熔變得粗糙，無明顯裂紋，晶粒組織細(xì)化。隨著束流參數(shù)及加速電壓的增加，燒蝕與重熔過程愈加劇烈。所有試樣從表面并未看出嚴(yán)重?fù)p傷，這可能與工藝參數(shù)中工作距離、轟擊次數(shù)、束流大小等參數(shù)選擇不合適有關(guān)，電子束轟擊對鎢合金材料性能具體影響需進(jìn)一步試驗進(jìn)行探索研究。

表1 電子束轟擊工藝參數(shù)

3 結(jié)論

本研究所研制脈沖電子束轟擊偏壓電源由基值電路與脈沖電路兩部分構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)基值電路輸出電壓幅值從最大到0V，可控制束流從0mA增加至最大值，通過調(diào)節(jié)脈沖電路的脈沖頻率及占空比，可調(diào)節(jié)輸出束流的脈沖頻率及占空比，實(shí)現(xiàn)脈沖頻率0.1～50Hz連續(xù)可調(diào)，占空比10%～60%連續(xù)可調(diào)。試驗結(jié)果表明所研制的脈沖偏壓電源具有輸出電壓穩(wěn)定，控制精度高，可調(diào)性好等優(yōu)點(diǎn)。

該電源相對于常規(guī)電子束脈沖電源而言，可靈活調(diào)節(jié)脈沖電源的基值電壓，達(dá)到輸出束流大小可調(diào)的目的。同時由于引入了高頻偏壓變壓器，使得高壓電路與前級低壓電路隔離開，減小了高壓放電對電源低壓電路及電網(wǎng)上其他設(shè)備造成的干擾，整個電源安全系數(shù)更高。

利用所研制的脈沖電子束轟擊偏壓電源組成的脈沖電子束轟擊電源對W90合金進(jìn)行轟擊試驗，隨著束流參數(shù)及加速電壓的增加，燒蝕與重熔過程愈加劇烈；隨著脈沖脈寬的增加，束流反饋值增大；隨著基值電壓的降低，束流反饋值增大。滿足小束斑脈沖電子束轟擊工藝的要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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