碳離子加速器雙脈沖形成線設計及表面強化試驗研究.pdf

1、強流脈沖離子束(HIPIB：highintensitypulsedionbeams)表面改性技術是上世紀80年代在慣性約束核聚變研究基礎上發(fā)展起來的高能束流表面改性技術。HIPIB輻照金屬材料可在瞬間實現材料表面的高能量密度沉積，材料表面升溫速率高達108-1011K/s、冷卻速度達到108-109K/s，形成表面熔化、氣化和燒蝕，在材料表面還產生熱應力與沖擊波，使材料表層各種缺陷和密度顯著增高、非晶和非平衡相等出現，導致材料表面相結構

2、、顯微結構、表層硬度、耐磨性和耐蝕性等變化。 同常規(guī)離子注入相比，HIPIB影響深度為離子注入的3～4個數量級；同激光電子束等高能束流相比，HIPIB具有能量轉換效率高(15％～40％)，作用面積大(102～103cm2)等特點，因此HIPIB技術具有良好的應用前景。 本文針對沈陽理工大學引進的俄羅斯碳離子加速器進行雙脈沖形成線的設計和實驗驗證，研究了水介質、氣體開關，三同軸筒體結構尺寸等參數對脈沖形成線的影響，并且通過

3、氣體開關壓力的控制，研究了雙脈沖時延的變化規(guī)律。分析了雙脈沖形成線的波傳輸過程，確定了波的傳播是在主開關過電壓導通下，沿外線傳播至負載系統(tǒng)得到負脈沖，同時通過電感線圈的換向作用加載于內線，薦于負載系統(tǒng)得到正脈沖的波傳播過程。完成了20、50、80納秒脈沖波形的雙脈沖形成線的結構和尺寸設計，設計結果與驗證實驗相符合。 本文設計的雙脈沖形成線為三筒同軸Blumlein水介質傳輸線，具體參數如下：脈沖電壓為450kV、脈寬為50ns、

4、傳輸線長84cm、內筒外徑9.0cm、中筒外徑13.6cm、外筒內徑20.5cm；脈寬80ns時，傳輸線長134cm、內筒外徑7.4cm、中筒外徑12.4cm、外筒內徑20.5cm；脈寬20ns時，傳輸線長33.5cm、內筒外徑9.7cm、中筒外徑14.1cm、外筒內徑20.5cm。各參數與實測值誤差較小，設計長度約為相同脈寬下油介質傳輸線長度的18％。 在雙脈沖形成線設計和驗證的基礎上，進行了針對硬質合金刀具材料的HIPIB輻