基于潘宁放电等离子体阳极的强流脉冲电子束源的研制

采用低加速电压、大束斑方案设计的强流脉冲电子束源在材料表面改性应用方面具有独到的技术优势。针对当前强流脉冲电子束源使用过程中面临的电子束脉冲时间过短、能量密度不足和阳极烧蚀污染等技术问题，本项目提出采用潘宁放电等离子体阳极形成原理取代原有的火花源等离子体阳极设计。对潘宁放电结构中外加磁场、阳极供电回路和等离子体分布参数进行实时测量，探索低气压条件下潘宁放电的高电离度等离子体形成机理。考察束源结构中电子加速间隙和束流传输空间的等离子体分布规律，在联机运行条件下，实时测量电子束流参数，分析装置整体工作的稳定性，以及电能转化效率和污染问题的改善情况。通过电子枪体结构和电气参数的优化，获得基于潘宁放电等离子体阳极的强流脉冲电子束源整体运行方案和实验装备，为丰富强流脉冲电子束源设计方法和发展新型材料表面改性工艺提供理论和技术支持。

高功率脉冲电子束为载能束基础理论及应用技术研究开辟了新的发展方向，其中采用低加速电压和大束斑方案设计的强流脉冲电子束源在材料表面改性方面具有独到的技术优势。针对当前强流脉冲电子枪运行过程中出现的电子束脉冲时间过短、能量密度不足和阳极烧蚀污染等技术问题，本项目提出一种基于潘宁放电机制形成阳极等离子体的新型电子枪设计方法。根据项目研究计划，实现了电子枪、磁场和潘宁阳极的结构和电气参数设计及制作。通过高速摄像和等离子体测试等手段，明确了强脉冲电子束发射所需的最佳等离子体阈值为1012-13/cm3，平行磁场约束下的等离子体轴向和径向扩展速度在2~5 cm/μs量级。经过真空电气、脉冲功率电源、高压脉冲开关和时序控制电路等核心环节的设计和优化，成功实现强流脉冲电子束发射，束斑能量密度~20 J/cm3，截面均匀且直径达到Φ70cm以上，发射稳定性达到90%，同时克服了火花等离子体阳极的烧蚀问题，获得了新型强流脉冲电子束源的整体技术方案和实验装备。对2Cr13钢、YG8硬质合金和FeCrAl涂层等材料进行表面改性处理，获得相应材料的强流脉冲电子束表面改性机理和优化工艺。利用已掌握的强流脉冲电子束工艺装备，成功解决了国防、航空航天及重要民用关键部件的表面改性难题，并为国内多家科研单位，包括中国工程物理研究院（九院七所）、西安航天动力研究所（六院十一所）、东北大学（教育部重点）、重庆理工大学（重庆市重点）和江苏大学（江苏省重点），以及大连理工大学常州研究院等单位提供强流脉冲电子束技术和装备支持，推动国内该领域的基础与应用研究发展。项目研究过程中，发表学术论文18篇，其中SCI收录7篇，EI收录11篇，ISTP收录1篇；申报国家发明专利6项；参加国内外学术会议交流12人次，口头报告6次，与俄罗斯和法国的科研单位形成良好的国际合作关系；培养研究生14名，毕业5名。