高能粒子束加工毕业论文

高能束流加工技术的应用是怎样的？发展现状怎么样？请看中达咨询编辑的文章。高能束流加工技术以高能量密度束流(电子束、激光、离子束等)为热源与材料作用，从而实现材料去除、连接、生长和改性。高能束流加工该技术具有独特的技术优势，被誉为本世纪先进制造技术之一，受到越来越多的重视，应用领域不断扩大。经过多年的发展，高能束流加工技术已经应用到焊接、表面工程和快速制造等方面，在航空、航天、船舶、兵器、交通、医疗等诸多领域发挥了重要作用。高能束流束源品质的发展高能束流加工技术的应用与发展和高能束流束源品质有着密切的关系。随着科学技术的不断发展，无论是电子束还是激光束，束流品质越来越好，能量密度、功率等参数越来越高，加工能力和加工质量都有所提高。电子束束流品质主要有2方面的内涵：一是束流和高压的稳定性;二是束流的形态和能量分布。前者主要取决于高压电源及相应控制系统;后者主要取决于电子枪及其电磁聚焦系统。高压电源是电子束加工设备的重要组成部分，自20世纪50年代以来，高压电源的设计及制造技术经历了3个阶段，即工频变压器、中频发电机组、高频开关式电源。在每个发展阶段，高压电源性能都得到了很大提高，特别是开关式高压电源，高压调节范围更广，有效功率更高、高压纹波、设备体积更小。目前，高压开关电源的各个部分均实现了高频工作方式，通常在束流满量程的情况下，束流稳定度达到±，高压的稳定度达到±。衬氟蝶阀束流形态和能量分布主要取决于电子枪及其所属的电磁聚焦系统，目前没有专属的量化指标，通常可对束流的不同截面进行能量分布的测定，来分析束流形态和能量分布是否良好。目前，电子束流发生装置(电子枪)技术发展迅速，已经由低压小功率型发展到高压大功率型(如表1所示)，大大提升了加工能力和加工质量，同时拓展了电子束加工技术手段。我国高压电子束焊接设备的研制开发起步较晚，这主要因为高压电子束加工设备中的电子枪和高压电源设计制造技术难度大，测试试验不易开展。目前，国内开展电子束焊接设备的研究较多，但主要局限于中压、小功率电子束焊机的研究，高压、大功率设备的研究相对较少。目前已经解决了大功率高压电源和高压电子枪的问题，国防科技重点实验室对高能束流加工技术进行了系统深入的研究，并取得了一定成果，高压电源的高压、束流稳定度均达到了±，同时也开发了新型电子束能量密度测量装置，以进行相关电子枪的研究改进。新型激光器的不断出现和技术上的不断改进完善，有力地推动了激光技术在各个领域的应用，特别是20世纪80年代中后期以后，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能进一步提高，输出功率增大到千瓦和万瓦级，使得材料的激光加工技术应用范围进一步扩大，特别是激光焊接技术已由热传导焊向深熔焊转变，焊接机制和原理发生了根本性变化。在国外，输出功率在10kW左右的CO2激光加工系统已经成为稳定应用于各工业部门的常规焊接设备。在大功率激光焊接应用方面，法国焊接研究所于1993年安装并完成了45kW CO2激光器的调试工作，正在开展大厚度(40～50m m)单道焊技术基础研究工作。1994年和1996年，日本的Kinki先进材料加工研究所和日本钢铁公司也先后完成了45kW CO2激光器的安装工作。与此同时，YAG激光焊接系统的输出功率也有较大提高，输出功率4k W的商品化设备已推向市场。在国内，激光材料加工技术经历了30多年的发展历史。经过国家多个五年计划的攻关，激光加工设备从无到有，输出功率一步步提高，还有多家单位都具有生产2～10kW CO2激光器系列产品的能力，也可制造千瓦级以下的YAG固体激光器。但是与国外相比，光束品质较差，元器件可靠性、稳定性方面需进一步提高。目前，Nd:YAG激光器和CO2激光器的性能进一步提高。对于Nd:YAG激光器，为了克服其在高功率运转时严重的热透镜效应、提高激光器的输出功率和光束质量，发展了板条、管状等新型激光器结构形式;另外，光纤传输极大地提高了焊接操作的灵活性。与此同时，CO2激光器由最初的横流结构改为快速轴流结构，输出功率极大提高;射频激励和微波激励模式的建立减小了CO2激光器的体积，提高了效率和可调制性。20世纪90年代，二极管泵浦固体激光器的出现，使激光器的体积大大缩小，光束质量高、寿命长，泵浦效率远远超过灯激励方式，是一种很有前途的新型激光加工能源，必将在很大程度上替代现有的激光加工设备。近年来，一些新型激光器相继进入激光加工领域(如准分子激光器、发射5μm附近激光波长的CO激光器等)，这将拓展激光焊接设备的新领域，促进激光加工技术向前发展。特别是光纤激光器的出现，无论是束流品质还是输出功率都应该说是激光加工技术的一场革命性变化。以上高能束流加工技术的应用和发展由中达咨询搜集整理更多关于工程/服务/采购类的标书代写制作，提升中标率，您可以点击底部官网客服免费咨询：

电子束离子束加工的发展趋势及应用聚焦的离子束在半导体行业有着重要作用，可用来切割纳米级结构，对光刻技术中的屏蔽板进行修补，分离和分析集成电路的各个元件，激活由特殊原子组成的材料，使其具有导电性等等。 聚焦的离子束在其他方面也有应用。可用来分析样品化学成分、进行生物研究以及制造保持血管畅通的心脏固定膜等微型医学植入材料。 但是，在用带正电荷的离子束对绝缘材料进行成像或进行缩微处理时，常常会出现麻烦，绝缘材料会逐渐带上正电荷，从而会排斥带同性电荷的离子束，使聚焦的离子束发散，影响精度。科学界解决这一问题的传统方法有两个：一个是在离子束到达非金属绝缘体之前，通过一种气化元件进行中和；另一种方法是在绝缘材料上设置一电子束中和这个带正电的离子束。 但是这两种方法都有其弊端，第一种方法往往要求加大离子束加速器和绝缘材料之间的距离，而距离太长会干扰离子束的聚焦。第二种方法中，产生额外的电子束需要另一电子加速器，而且要求与离子束随时保持在同一直线上，对于多束离子同时作用一种材料，很难实现这些要求。 而美国科学家对其实验室发明的多离子束系统进行改进后，得到了中和正离子的全新方法。与传统聚焦离子束装置中的液化金属离子不同，这一新系统使用两个离子束腔，将气态分子中的电子和正离子分离。通过三条电极组成的电极棒将两个腔隔开，一个腔只允许电子通过，另一个腔只许正离子通过。 这样的设计，不但可以形成加速的离子束，而且也不会阻止电子束的通过，最后离子束达到目标材料后，离子和电子会自我中和形成先前的气态原子，也不会导致目标材料带电。利用这种装置可以对各种离子进行加速，包括惰性气体、锰等金属甚至碳60这样的分子团，都可以用来形成离子束。另外，科研人员还利用多孔屏蔽板，获得圆洞形、线性和弧形等不同形状的离子束，发射一次离子束可以生产几千个心脏内膜，大大提高了效率。离子束刻蚀 离子束刻蚀以离子束为刻饰手段达到刻饰目的的技术，其分辨率限制于粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范围。离子束最小直径约10nm，离子束刻蚀的结构最小可能不会小于10nm。目前聚焦离子束刻蚀的束斑可达100nm以下，最少的达到10nm，获得最小线宽12nm的加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50nm的刻饰，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。此外聚焦离子束技术的另一优点是在计算机控制下的无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，直接制造各种纳米器件结构。但是，在离子束加工过程中，损伤问题比较突出，且离子束加工精度还不容易控制，控制精度也不够高。束流强度达几十万以至上百万安培的束流。它比通常加速器的束流密度高几万倍以至几十万倍。20世纪60年代初期,由于模拟核爆炸条件下γ射线辐照效应和X射线照相的需要，强流脉冲电子束加速器得到了迅速发展，70年代后，由于粒子束惯性约束聚变、电子束抽运气体激光器、电子束产生高功率微波等研究工作的要求，研制了低电压大电流的电子束加速器，并在这些技术的基础上获得了强流脉冲离子束。1984年已能产生1MeV、1MA的轻离子束，强流脉冲电子束也达到了如下的技术水平： 电子能量 ～12MeV 电子束流 10kA～5MA 脉冲宽度 10ns～100ns 总束能 1kJ～5MJ 功率 1011W～3×1013W这些束流之特点是束流能量大、功率高、电流大、时间宽度窄。这种基于物理学和电工学相结合的高功率脉冲技术是一门新的前沿科学技术，近年来发展极为迅速，已成为研究高温高压等离子体物理的重要工具，它在经济和军事应用方面有着广阔的前景。强流脉冲电子束的产生 强流脉冲电子束加速器主要由三个部分组成，即冲击电压发生器、脉冲成形线与脉冲传输线和场致发射二极管。从冲击电压发生器输出的微秒级上升时间的高压脉冲经脉冲成形线成形为几十纳（10-9)秒上升时间的高压脉冲，并由传输线输运至场致发射二极管，二极管起着将电磁能转变为电子束的能量的作用。冲击电压发生器 见脉冲倍压发生器之图2。冲击电压发生器的工作原理是对电容器组并联充电串联放电，获得脉冲高压输出，减小冲击电压发生器电感，可缩短输出高压脉冲的上升时间。电容器的排列有Z型、S型和混合型等，采取正、负充电线路，可使火花球隙数目减少一倍。LC反转冲击电压发生器的电感小，输出脉冲上升时间短，但当所有球隙不能在同一时间内击穿时，过电压会把电容器击穿。脉冲成形线和脉冲传输线 如图1所示。冲击电压发生器输出的电压脉冲，对脉冲成形线充电，当电压充至一定值时主开关接通，成形线中开始了波过程,经过时间在成形线末端产生时间宽度为的高压脉冲加在场致发射二极管上。L为成形线长度,с为光速,ε为成形线介质的介电常数，也可以通过变阻抗传输线加到二极管上，以达到升压或降压的目的。脉冲成形线和脉冲传输线中充以去离子水或变压器油，对于亚微秒充电时间的高压脉冲，水是很好的绝缘介质，水的储能密度大、价廉，发生电击穿后能很快恢复不留痕迹。可根据.马丁的经验公式来考虑脉冲成形线和脉冲传输线的绝缘要求。强流电子束二极管 阴极表面细微的针尖状结构，使场强增大约100倍，趋于108V/cm，由此引起的电流的增强造成阴极上微小尖端的蒸发，蒸发物的电离形成阴极等离子体，并从中发射电流，阴极等离子体的前沿以1～4×104m/s的速度向阳极运动，随着束流的增强，在阳极上吸附的气体释放出来并被电离，形成阳极等离子体，它以约1×104m/s的速度向阴极运动。描述二极管中电子束流特性的一个重要物理量是v/ γ 值，v是单位长度上电子数目乘电子经典半径，，，IA称为阿尔文电流。低v/γ 值二极管阻抗可由蔡尔德－朗缪尔公式描述，平行板二极管阻抗为式中V以兆伏为单位,R是二极管半径，d是阴阳极间隙距离，以厘米为单位，μ 是阴极等离子体运动速度，以厘米／秒为单位，Z以欧姆为单位，K(V)是随着V而增长的函数，对于非相对论性束流K(V)＝136。当二极管中电流超过了临界电流值时，电子轨迹开始箍缩，这时电子的拉莫尔半径等于电子束半径的一半，并等于阴阳极之间的间距。在高v/ γ值的二极管中，当达到临界电流值时，束流开始箍缩，实验观察到箍缩主要在脉冲的后一段时间内形成，并以(1～5)×106m/s的径向崩塌速度进行，它比等离子体膨胀速率大一个半到二个数量级，这是由于阳极等离子体中的正离子向阴极运动，改变了空间电荷分布，增大了二极管电流，从而使箍缩进一步发展。箍缩发生后，二极管阻抗大致和"顺位流模型"的计算值相符。箍缩的结果使电子向二极管的轴线方向移动。由于空间电荷的堆积，造成阴极中心部分轴向电场的减小，从而降低了阴极中心区域的电子发射，过剩的空间电荷使得等位面分布接近锥形。电子沿锥形等位面运动。等位面的法线方向和磁场方向垂直。因而向外的电场力和向内的自磁场力方向相反。空间电荷堆积一直继续到作用在电子上的净力为零。于是从阴极边界处发出的电子沿等位面作净力为零的运动。按顺位流模型可得进一步考虑阴极和阳极表面上存在的等离子体对箍缩所起的作用，建立了聚焦流模型，按照该模型聚焦束流为强流离子束的产生 在双极性流的情况下，质子流和电子流密度满足方程式中x是阴阳极之间距离，V是阴阳极间隙上的电压，εo是空气介电常数，e是电子电荷,mp是质子质量。电子流密度约为质子流密度的43倍，强流离子二极管的工作原理是利用电场或磁场抑制电子到达阳极，使二极管的能量大部分为离子所带走，现有的离子二极管有三种类型：反射型二极管 从阴极射出的电子穿过薄阳极靶后，遇到一个反向电场，使电子减速并回转，重新穿过阳极靶，然后阴阳极之间的电场又将电子拉向阳极。若靶上涂以某种有机物,由于电子来回穿过阳极靶,在靶上产生离子并向阴极运动（图2）。反射型二极管产生离子效率可达50％，实际上不需要第二个阴极，从阳极穿出的电子的堆积，形成虚阴极。离子流密度和电子流密度之比为式中Zm是离子的电荷,Mp是离子质量，〈Δθ2〉是散射角的均方值,散射角近似反比于二极管电压的二次方,离子流密度和二极管电压的关系可用7/2次方来描述。磁绝缘二极管。外加一个大于临界磁场Bcr的横向磁场,偏转电子，使它不能到达阳极。

主要由五大部分组成：粒子束生成装置，能源系统，预警系统，目标跟踪与瞄准系统，指挥与控制系统。其中，最能说明该武器特征的部分是粒子加速器和能源系统。

1、粒子束生成装置

高能粒子束生成装置是整个粒子束武器系统的核心部分。它用来产生高能粒子束，并聚集成狭窄的束流，使其具有足够的能量和足够的强度。

2、能源系统

能源系统是粒子束武器各组成部分的动力源，它为武器系统提供动力，可以认为是粒子束武器的“弹药库”。对以脉冲形式工作的粒子束武器，一般的发电机，一般的供电方法，是不能满足需要的。

扩展资料

加速器是粒子束武器的核心，用来产生高能粒子，并聚集成密集的束流，加速到使它能够破坏目标。目标识别与跟踪系统主要由搜索跟踪雷达、红外探测装置及微波摄像机组成。

根据美国80年代以来的研究结果，粒子束武器在高技术战争中的应用主要在于，利用中性粒子束武器进行洲际弹道导弹的拦截和弹头飞行中段的识别。

由于粒子束生成装置、能源系统及高能粒子束传输等问题的解决技术难度太大，在可预见的将来把中性粒子束用于洲际弹道导弹弹头中段的识别，也许是唯一可行的应用。

参考资料来源：百度百科-粒子束武器