一种脉冲电子束产生电路

1.本发明涉及电子束产生电路技术领域，尤其涉及一种脉冲电子束产生电路。


背景技术：

2.电子束是由强场激发下的被激发物质释放出的电子粒团。电子束除拥有一定的能量和谐振频率外，还具有内部场强高、导电性好、导热性好和宏观机械应力等特点。脉冲式电子束，是一种经能量压缩后，在极短时间内，通常为纳秒或微秒级，所释放出来的电子束。脉冲电子束具有能量密度大、反射率低、效率高、加热冷却速度快等特点，广泛应用于材料表面改性领域。相较于常规直流电子束，脉冲电子束能更好地发挥“匙孔”效应，在同等功率焊接时穿透深度和焊缝深宽比增大30％～50％；采用脉冲电子束焊接薄板结构时可以更精确地控制热输入，达到防止工件过热、减小焊接变形的目的，特别是脉冲频率超过20khz时，可以细化晶粒，改善焊缝性能。
3.由目前来看，能够产生电子束的装置主要分为两种：一种是长时间小电流(分钟级、安培级)装置，一种是短时间大电流(微秒级、百安培级以上)装置。长时间小电流装置主要应用于工程领域，例如焊接、切割和机械加工等方面。短时间大电流装置目前还处于研究阶段，主要应用于前沿高新技术领域，包括新材料技术、高能微波技术、高能物理和核物理等。脉冲式电子束产生装置，属于短时间大电流装置，主要应用包括：金属和非金属表面处理，材料表面和内在改性等方面。作为材料处理领域与机械加工领域的重要技术和手段，当前对脉冲电子束技术的研究主要侧重基于电子束具体应用场所的原理和装置研究，如电子束各部分放电理论的研究、具体电压等级和工作情景对应的电子束装备改进等。而对非相对论强流脉冲电子束源控制系统的研究(包括其脉冲高压电源、时序放电控制、通信系统)还有一定探索空间；当前的强流脉冲电子束源故障放电率高，控制系统可靠性与电磁干扰抑制措施有待加强。开发研究出更可靠的电子束控制系统，获得性能更稳定，故障放电率更低的电子束源有重要意义。
4.脉冲功率源技术是由英国的aldermaston原子武器研究中心的j.c.马丁及其领导的脉冲功率小组提出，为脉冲功率源技术研究奠定了基础，至今仍然对该技术的发展起到促进用。日本很早也对该技术进行了研究，其中于上个世纪80年代中期位于日本新潟县的昌岗技术大学团队和大阪大学团队共同研制的efigo
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，其输出电压值高达3mv，输出电流为400ka；2000年初韩国研制的电热化学炮发射充能电源的储能功率达400k j，充电电压22kv，放电电流达150ka。脉冲电子束源技术是一种脉冲功率源技术，对其研究的学者不在少数。电子束源的设计研究中，国内外学者对电子束源的机械结构设计、储能元件的设计和使用，电子束源的参数检测和保护、电子束触发驱动电路的设计、电子束充能电源的研制以及电子束放电时序优化等方面的研究促进着电子束源的不断发展。国内对于脉冲电子束的研究起步较晚，1996年，武汉大学的彭友贵等人研究了材料改性和分析测试用离子加速器的微型永磁体冷阴极潘宁源。该工作主要是针对自行设计加工的潘宁离子源进行了放电特性和质谱研究，分析了不同进气量对放电的影响，通过在磁分析器后设光阑，对引出离子的
成分进行定量测量。2000年，东北师范大学的卢红波等人研究了插入式靶中子管用潘宁离子源，对其阳极电压、气压、放电延迟，放电电流之间的关系进行了研究。2003年西安交通大学的欧阳仁礼教授和郑德修教授，将整个电子束流源设计成一个矩形结构，通过改变阳极的的大小和排列，得到不同形状电子束流和不同能量密度和分布的电子束流。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种脉冲电子束产生电路。
6.本发明为了弥补现有处理技术和方法的不足，解决当前脉冲式电子束装置应用面窄、应用范围有限等问题，针对高性能器件的驱动需求，通过使用锂电池或外接电源供电，使该系统实现了5v低压，8-9kv高压的直流以及交流和脉冲电压的高频输出。该产生系统只消耗电能，所需能量较低，有较好的可控性和可操作性，稳定性高，可以长时间重复使用。
7.技术方案：本发明的一种脉冲电子束产生电路包括：
8.低压输出电源电路，用于对输入低电平进行升压以获得设定电压大小的输出；
9.方波输出电路，用于对低压输出电源电路的输出进行处理以获得方波电压；
10.单管自激振荡电路，用于对所述方波电压进行处理以获得设定频率、设定电压大小的高频振荡交流电；
11.倍压整流电路，用于对所述高频振荡交流电进行升压处理以获得设定电压大小的输出。
12.所述低压输出电源电路包括电流流入芯片、电阻分压器和滤波器；其中，所述电阻分压器包括彼此串联的第一电阻和第二电阻以及第三电阻；所述第一电阻的一端连接至电流流入芯片的频率端口，第一电阻的另一端连接第二电阻的一端；第二电阻的另一端连接电压源；第三电阻的一端连接至电流流入芯片的自举电容端口，另一端连接电压源；所述滤波器的一端连接电压源，另一端接地。
13.所述方波输出电路包括定时器、第四电阻和第五电阻，定时器的电压源端经所述第四电阻分别连接至定时器的放电针引脚和第五电阻，第五电阻的另一端分别连接至定时器的触发引脚和阈值引脚。
14.所述单管自激振荡电路包括三级管、发光二极管、第六电阻和电感，电感包括第一绕组、第二绕组、第三绕组；三级管的集电极依次经所述发光二极管、第六电阻、第二绕组连接至三级管的发射极，三级管的基极经第七电阻、第一绕组连接至三级管的集电极。
15.所述电感包括第一绕组、第二绕组和第三绕组，所述第一绕组和所述第二绕组均耦合至所述第三绕组，其中，第一绕组的第一端口分别连接至三级管的集电极、发光二极管的正极、开关，第一绕组的第二端口连接第七电阻；第二绕组的第三端口连接所述三级管的发射极，第二绕组的第四端口连接地。
16.所述倍压整流电路包括若干个并联的升压电路以及与所述升压电路电连接的多路开关，升压电路与多路开关之间具有4个连接点；在升压电路相应放大倍数级处与多路开关的接口相连，这样多路开关的每一个开关对应控制一个放大倍数，放大倍数有3000倍，5000倍，7000倍和9000倍四级。
17.所述升压电路包括彼此串联的二极管和电容，其中，二级管的负极连接至所述电
容。
18.上一级的升压电路的电容能够连接至下一级的升压电路的二级管的正极。
19.有益效果：本发明具有以下优点：
20.本技术为了弥补现有处理技术和方法的不足，解决当前脉冲式电子束装置应用面窄、应用范围有限等问题，针对高性能器件的驱动需求，通过使用锂电池或外接电源供电，使该系统实现了5v低压，8-9kv高压的直流以及交流和脉冲电压的高频输出。该产生系统只消耗电能，所需能量较低，有较好的可控性和可操作性，稳定性高，可以长时间重复使用。
附图说明
21.图1为低压输出电源电路的电路结构示意图；
22.图2为方波输出电路的电路结构示意图；
23.图3为单管自激振荡电路的电路结构示意图；
24.图4为倍压整流电路的电路结构示意图。
25.图5为本发明脉冲电子束产生电路总图，即图1、图2、图3、图4的连接图。
26.图中有：1-低压输出电源电路、2-方波输出电路、3-单管自激振荡电路、4-倍压整流电路、1a-芯片、1b-电阻分压器、1c-滤波器、1b-1-第一电阻、1b-2-第二电阻、1b-3-第三电阻、2a-定时器、2b-第四电阻、2c-第五电阻、3a-三极管、3b-发光二极管、3c-第六电阻、3d-电感、5-第七电阻、4a-升压电路、4b-多路开关、4a-1-二级管、4a-2-电容。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
28.如图1至图4所示，本技术提供一种脉冲电子束产生电路，包括低压输出电源电路1、方波输出电路2、单管自激振荡电路3和倍压整流电路4。低压输出电源电路1相当于一个dc-dc升压模块，具体通过如下方式实现：如图1所示，首先在3v外接电压处连接一个led以指示电路电路可以正常工作，然后通过噪声去除和整流的过程使电流流入芯片1a(芯片的型号可以是tps62130argtr)，进行初始设置fb端电压为0.8v，同时外接两个相互串联的第一电阻1b-1(阻值为31kω)和第二电阻1b-2(阻值为37.6kω)及一个与二者相互并联的第三电阻1b-3(阻值为10kω)以形成一个电阻分压器，实现电压的分压输出，最终输出一个5.5v的直流电(0.8*(31k+37.6k)/10k＝5.5v)，最后通过一个滤波器1c(可以是lc滤波器)去除杂波并整流，最终实现输出一个低压5v输出的电路。
29.优选的，如图2所示，方波输出电路2通过如下方式实现：定时器2a、第四电阻2b和第五电阻2c，定时器2a的第一端口经第四电阻2b连接至定时器2a的第二端口，定时器2a的第二端口经第五电阻2c连接至定时器2a的第四端口。定时器2a可以是555定时器，第一端口可以是dis端口，第二端口可以是vcc端口，第三端口可以thr端口或tr1端口。在555定时器的out端口输出一个正负vcc的电压。经过特制变压器的升压，可以得到峰值为9kv的高压。要改变该电压的大小，可以后续连接一个滑动变阻器实现幅值控制。
30.优选的，如图3所示，单管自激振荡电路3通过如下方式实现：单管自激振荡电路，其作用是把一个3v的直流电变成一个频率为18khz，大小为800v的高频振荡交流电。具体作用过程为：电路接通后，发光二极管3b指示电路正常工作，三极管3a基级获得一个正向电压
并导通，集电极中产生快速增大的电流，此时三极管从截止状态变成了放大状态。同时电感3d中电流随时间流逝而增大，而集电极电流与基级电流有关系ic＝βib，所以正反馈作用使得集电极电流增加的更快，使得集射级电流ice趋向饱和导通状态。当接近饱和后，集电极电流增速减慢，电感中产生一个反向感生电动势，使得基射级电压ube减小，集射级电压uce也减小，基级电流减小，三极管又从饱和状态到截止状态，形成一个高频振荡的交流电压，再经过变压器的放大，即输出一个大小为800v的高频振荡交流电。电感3d包括第一绕组3d-1、第二绕组3d-2和第三绕组3d-3，第一绕组3d-1和第二绕组3d-2均耦合至第三绕组3d-3，其中，第一绕组3d-1的两端分别连接至集电极和第七电阻5，第二绕组3d-2的两端分别连接至发射极和第六电阻3c。
31.优选的，如图4所示，倍压整流电路4包括若干个并联的升压电路4a以及与升压电路4a电连接的多路开关4b，升压电路4a与多路开关4b之间具有4个连接点。升压电路4a包括彼此串联的二极管4a-1和电容4a-2，其中，二级管4a-1的负极连接至电容4a-2。倍压整流电路4通过如下方式实现：倍压整流电路4可以是一个十一倍压整流电路，其作用是将变压器输出的电压进行至多11倍的变压整流，同时通过多路开关4b(五路开关)实现四种或者更多高压的输出选择。为了简要描述，二极管4a-1通过d1-d12表示，电容4a-2通过c1-c12表示。其具体作用过程为：当第一个逆时针方向交流进入电路，d1导通，d2截止，电流经过d1对c6充电充到u(变压器输出电压：u)，之后电流方向变为顺时针方向，此时d1，d3截止，d2导通，变压器输出电压与c6两端电压串联，二者一起对c7充电，使c7两端电压达到2u，以此类推，共有11个电容，所以最右侧电容两端电压最大，为11*800＝8800v。再通过一个多路开关4b(可以是五路拨动开关sw-dip5)分别连接电压为4000v、5600v、7200v、8800v的节点，通过拨动对应的开关实现输出电压的选择(要保证此开关相互通道间至少耐压2000v)。最后通过高压输出端输出经过选择后的高压值，实现高压3kv至9kv的可调输出电路。
32.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种脉冲电子束产生电路，其特征在于，该脉冲电子束产生电路包括：低压输出电源电路(1)，用于对输入低电平进行升压以获得设定电压大小的输出；方波输出电路(2)，用于对低压输出电源电路(1)的输出进行处理以获得方波电压；单管自激振荡电路(3)，用于对所述方波电压进行处理以获得设定频率、设定电压大小的高频振荡交流电；倍压整流电路(4)，用于对所述高频振荡交流电进行升压处理以获得设定电压大小的输出。2.根据权利要求1所述的脉冲电子束产生电路，其特征在于，所述低压输出电源电路(1)包括电流流入芯片(1a)、电阻分压器(1b)和滤波器(1c)；其中，所述电阻分压器(1b)包括彼此串联的第一电阻(1b-1)和第二电阻(1b-2)以及第三电阻(1b-3)；所述第一电阻(1b-1)的一端连接至电流流入芯片(1a)的频率端口(fs)，第一电阻(1b-1)的另一端连接第二电阻(1b-2)的一端；第二电阻(1b-2)的另一端连接电压源(vcc)；第三电阻(1b-3)的一端连接至电流流入芯片(1a)的自举电容端口(fsw)，另一端连接电压源(vcc)；所述滤波器(1c)的一端连接电压源(vcc)，另一端接地。3.根据权利要求1所述的脉冲电子束产生电路，其特征在于，所述方波输出电路(2)包括定时器(v1)、第四电阻(r1)和第五电阻(r2)，定时器(v1)的电压源(vcc)端经所述第四电阻(r1)分别连接至定时器(v1)的放电针引脚(dis)和第五电阻(r2)，第五电阻(r2)的另一端分别连接至定时器(v1)的触发引脚(tri)和阈值引脚(thr)。4.根据权利要求1所述的脉冲电子束产生电路，其特征在于，所述单管自激振荡电路(3)包括三级管(3a)、发光二极管(3b)、第六电阻(3c)和电感(3d)，电感(3d)包括第一绕组(3d-1)、第二绕组(3d-2)、第三绕组(3d-3)；三级管(3a)的集电极依次经所述发光二极管(3b)、第六电阻(3c)、第二绕组(3d-2)连接至三级管(3a)的发射极，三级管(3a)的基极经第七电阻(r5)、第一绕组(3d-1)连接至三级管(3a)的集电极。5.根据权利要求4所述的脉冲电子束产生电路，其特征在于，所述电感(3d)包括第一绕组(3d-1)、第二绕组(3d-2)和第三绕组(3d-3)，所述第一绕组(3d-1)和所述第二绕组(3d-2)均耦合至所述第三绕组(3d-3)，其中，第一绕组(3d-1)的第一端口(b1)分别连接至三级管(3a)的集电极、发光二极管(3b)的正极、开关(s3)，第一绕组(3d-1)的第二端口(b2)连接第七电阻(r5)；第二绕组(3d-2)的第三端口(b3)连接所述三级管(3a)的发射极，第二绕组(3d-2)的第四端口(b4)连接地。6.根据权利要求1所述的脉冲电子束产生电路，其特征在于，所述倍压整流电路(4)包括若干个并联的升压电路(4a)以及与所述升压电路(4a)电连接的多路开关(4b)，升压电路(4a)与多路开关(4b)之间具有4个连接点；在升压电路相应放大倍数级处与多路开关的接口相连，这样多路开关的每一个开关对应控制一个放大倍数，放大倍数有3000倍，5000倍，7000倍和9000倍四级。7.根据权利要求6所述的脉冲电子束产生电路，其特征在于，所述升压电路(4a)包括彼此串联的二极管(4a-1)和电容(4a-2)，其中，二级管(4a-1)的负极连接至所述电容(4a-2)。8.根据权利要求7所述的脉冲电子束产生电路，其特征在于，上一级的升压电路(4a)的电容能够连接至下一级的升压电路(4a)的二级管的正极。

技术总结
本发明公开了一种脉冲电子束产生电路，包括：低压输出电源电路，用于对输入低电平进行升压以获得设定电压大小的输出；方波输出电路，用于对低压输出电源电路的输出进行处理以获得方波电压；单管自激振荡电路，用于对所述方波电压进行处理以获得设定频率、设定电压大小的高频振荡交流电；倍压整流电路，用于对所述高频振荡交流电进行升压处理以获得设定电压大小的输出。该脉冲电子束产生电路只消耗电能，所需能量较低，有较好的可控性和可操作性，稳定性高，可以长时间重复使用。可以长时间重复使用。可以长时间重复使用。


技术研发人员：管昱彰 万能
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/7/28