[发明专利]非相对论性强流脉冲电子束单片机精细同步控制方法

说明书

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系统，该系统包括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。

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