一种用于强流脉冲离子束的束流输出稳定性实时监测方法

强流脉冲离子束辐照后的材料表面状态对束流强度具有极高的敏感性.因此,在辐照实验中监测束流输出的稳定性,并及时识别出参数抖动较大的脉冲,对于实验结果的分析和表面改性效果的优化具有重要意义.本文利用塑料闪烁体构建了一种时间分辨为6 ns的快响应脉冲X射线诊断系统,成功捕获了外磁绝缘离子束二极管工作时产生的X射线.同时,通过红外相机和法拉第筒对离子束流的能量密度和电流密度进行测量.分析结果显示,轫致辐射强度和离子束发射强度均取决于二极管加速电压,导致X射线强度和离子束流能量密度呈现正相关趋势.当离子电流密度发生抖动时,X射线信号幅值表现出良好的变化跟随性,能够对偏离预设参数区间的脉冲做出响应.这说明本文提出的非拦截式诊断方法能够有效地实时监测强流脉冲离子束束流输出的稳定性.

强流脉冲离子束辐照W6Mo5Cr4V2高速钢表面改性研究

利用强流脉冲离子束(HIPIB)技术对W6Mo5Cr4V2高速钢进行表面辐照处理.HIPIB主要由Cn+(70％)和H+(30％)组成,束流密度为160 A/cm2,加速电压为250 kV,脉冲宽度为80-100 ns,能流密度为3-4 J/cm2,脉冲次数分别为1,3和5次.利用XRD,SEM和EPMA研究了HIPIB辐照处理前后该高速钢表面层结构和成分的变化,结果表明,HIPIB辐照处理使该高速钢表面层发生由马氏体α’-Fe向奥氏体γ-Fe转变,其表面产生许多火山口状熔坑,熔坑中心处富含离子束元素成分,熔坑的形成可以用“雨滴”模型进行解释.由于HIPIB辐照压缩波的影响,处理后在深度达200μm左右的范围内该高速钢的显微硬度提高,表面层耐磨性能提高近2倍,而且耐腐蚀性能也有所提高.

强流脉冲离子束辐照对M2高速钢的表面改性

研究了强流脉冲离子束辐照对M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)表面的微观组织和硬度的影响．结 果表明,HIPIB辐照处理使高速钢样品表面强烈加热又快速冷却,产生表面淬火作用,导致碳化物溶解,马 氏体溶碳量增大且晶粒细化或晶格畸变度增大,晶间出现残余奥氏体．辐照还使表面产生宏观残余压应力, 形成一些弥散分布的火山口状熔坑．随着脉冲次数的增加,在材料表面产生微区光化现象,材料表面化学成 分和相组成的差异、杂质分布以及位错密度不均匀性导致的非均匀、非稳定熔化等是产生熔坑的主要原因． 辐照使材料表层及以下近200μm范围内的硬度提高,并出现硬度双峰现象,离子束辐照产生的应力波及 其在材料中的传播所导致的位错密度增大是硬度提高的原因．

强流脉冲离子束表面再制造技术原理与应用

采用TEMP–6型强流脉冲离子束(HIPIB)装置开展了HIPIB表面再制造技术的研发。HIPIB装置主体由高压脉冲电源系统和高功率离子二极管系统组成,通过高压短脉冲在二极管中放电产生阳极等离子体并引出ns级强流离子束。HIPIB辐照材料表面,发生显著的熔融、蒸发和剧烈烧蚀,物质喷射的反冲作用在辐照表面形成由表及里的应力波,导致材料表层强烈的热-力学效应。利用HIPIB与材料表面的相互作用,应用于涡轮叶片表面的清洗维修,可有效去除涡轮叶片基体因高温氧化形成的氧化物,伴随表层的重熔将叶片基体表面微观缺陷焊合,获得了光滑、平整的涡轮叶片修复表面。实现了HIPIB辐照在涡轮叶片表面再制造方面的应用。

强流脉冲离子束辐照镁合金微弧氧化膜的耐腐蚀性能

采用强流脉冲离子束在束流密度为200 A/cm2、辐照次数为1~10次条件下对AZ31镁合金微弧氧化膜进行辐照改性处理。采用扫描电子显微镜对氧化膜的表面及截面形貌进行表征;在Princeton Applied Research（PAR）2273型电化学工作站测量氧化膜的极化曲线。结果表明：在束流密度200 A/cm2、5次辐照条件下氧化膜表面获得连续、致密的改性层;以3.5%NaCl溶液为腐蚀液,氧化膜表面发生的腐蚀过程由辐照前的活化溶解向辐照后的钝化-孔蚀击穿转变;在束流密度200 A/cm2、5次辐照条件下击穿电位提高到最大值-800 mV（vs SCE）。强流脉冲离子束辐照产生的连续致密改性层是氧化膜耐蚀性改善的主要原因。

强流脉冲离子束辐照对不锈钢耐腐蚀性能的影响

利用强流脉冲离子束(HIPIB)对316L不锈钢进行了表面辐照处理,研究了HIPIB辐照对其在0.5mol/L H2SO4溶液中电化学腐蚀性能的影响。极化曲线测量结果表明,HIPIB辐照能够显著提高316L的抗腐蚀性能,自腐蚀电流对辐照次数的依赖性与自腐蚀电位相比明显较强。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和电子探针(EPMA)分析辐照后试样表面形貌、表面层相结构和元素分布的变化。结果表明:HIPIB辐照使试样表面光滑化,表面层产生择优取向,且发生了杂质元素的选择性烧蚀,是316L不锈钢耐电化学腐蚀性能得以提高的主要原因。

在玻璃上用强流脉冲离子束镀膜的工艺

用强流脉冲离子束 (HIPIB)方法通过高强度脉冲离子束照射到锡掺杂氧化铟 (ITO)陶瓷靶材上产生的二次等离子体快速地沉积到室温玻璃基片上制得ITO薄膜 .经计算得知 :二次等离子体的密度约 10 2 0 atoms/cm3,温度以实验的电子能量 (ET0 )表示约为 1.4eV ,在玻璃表面瞬时沉积速率达 2cm/s,比其它传统镀膜方法大几个数量级 ;并且瞬间在玻璃表面产生约 2 2 0 0℃的高温 .经一次脉冲发射可制得 65nm厚的膜 .EDX数据表明薄膜与靶材的化学组成相近 .通过原子力显微镜 (AFM )图像分析膜的表面形貌 ,在 1μm× 1μm范围内 ,薄膜表面的均方根粗糙度为 1.3 85nm 。

W6Mo5Cr4V2钢表面强流脉冲离子束辐照研究

利用扫描电镜(SEM)、台阶仪、X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、显微硬度仪对W6Mo5Cr4V2钢经强流脉冲离子束(HIPIB)辐照前后试样的表面形貌、粗糙度、表层的组织结构及硬度进行了分析,探讨了'熔坑'和硬度'多峰'态形成的原因。结果表明,试样表面粗糙度随辐照次数的增加有所减小;辐照过程使该钢体心立方的马氏体α′-Fe向面心立方的奥氏体-γFe转变,碳化物溶解,马氏体溶碳量增大且晶粒细化,点阵畸变度增大,使W6Mo5Cr4V2钢表面硬度有较大的提高。

用强流脉冲离子束(HIPIB)方法在玻璃表面制备ITO膜

强流脉冲离子束 (HIPIB)方法以新的成膜机理通过高强度 (约 10 8W /cm2 ) ,脉冲 (约 70ns)离子束照射到ITO陶瓷靶材上产生的高密度、高温二次等离子体快速地沉积到室温玻璃基片上成功地制得ITO薄膜。经一次脉冲发射即可制得约 6 5nm厚的膜。通过原子力显微镜 (AFM)图象分析膜的表面形貌 ,膜的平整性与膜厚有直接关系 。

强流脉冲离子束辐照对DZ4合金性能的影响

用含C^n＋和H^＋、加速电压250kV、脉冲宽度70ns、束流密度160A／cm^2的强流脉冲离子束辐照DZ4合金．辐照次数分别为2，5．10．15。实验结果表明；辐照后样品的表面出现了熔坑，多次脉冲辐照后样品的表面熔坑边缘模糊甚至消失。近表面存在厚1～2μm的重熔层，晶粒较细，晶界模糊；熔坑周围富集Cr和Mo等元素；强流脉冲离子束辐照处理后DZ4合金的耐腐蚀性能明显提高，腐蚀速率下降，这是由于辐照减弱了由于晶界和晶粒本体的成分差异而引起的晶界腐蚀；同时离子束辐照后的DZ4合金在高温氧化时更容易形成一层连续的保护性氧化物，其主要成分是致密的Al2O3，使得DZ4合金的耐高温氧化性能也有所改善。

强流脉冲离子束辐照对316L不锈钢表面改性的实验研究

利用离子能量为300 keV、束流密度为200 A/cm^2、脉冲宽度为75 ns的混合离子束(70%H^++30%C^+)组成的强流脉冲离子束(HIPIB)对316L不锈钢进行了表面辐照处理,辐照次数分别为1,5,10次．采用SEM,XRD,TEM和EPMA分析辐照后试样表面形貌、表面层相组成和微观结构及元素分布的变化．结果表明,HIPIB辐照使试样表面光滑化,表面层晶粒细化、产生择优取向,杂质元素选择性烧蚀,电化学腐蚀性能明显提高由于HIPIB辐照引起的大应力和冲击波的影响,辐照后在深度达100μm表层内显微硬度提高,表面摩擦系数降低,表面抗磨损性能显著改善．随着辐照次数的增加,316L疲劳极限和蠕变断裂寿命延长,稳态蠕变速率降低．

强流脉冲离子束轰击对钛合金表面的损伤研究

为了研究强流脉冲离子束(IPIB)辐照在钛合金表面造成的损伤效应,利用IPIB在低、中、高三种能流密度下对钛合金表面进行了轰击。通过金相显微镜和扫描电子显微镜对离子束诱发的表面形貌进行了分析。结果表明,当能量密度为1.44 J/cm2时,5次脉冲轰击,靶材表面开始形成大量的熔坑。能量密度为4.5 J/cm2,10次脉冲辐照,表面出现大量较深的微裂纹,其形态分布与材料本身的缺陷密切相关。IPIB轰击能够诱发表层强烈的塑性变形;多次脉冲轰击,变形区域表面形成分布均匀,尺寸约为1μm的微孔洞形貌。微孔洞成分的线扫描结果显示,孔洞内部C,O和Si等杂质轻元素含量发生改变,β相稳定元素Mo含量基本保持不变。

金属材料表面强流脉冲离子束辐照强化

介绍了TEMP型强流脉冲离子束 (HIPIB)装置及其工作原理。总结了HIPIB辐照不同金属材料表面后的硬度、耐磨性和耐蚀性的试验结果。HIPIB的瞬间高能量密度沉积导致金属表面快速加热冷却 ,产生显著的热 力学效应。辐照表面发生的细晶强化、加工硬化和相变强化 ,使金属材料在较大的深度范围 (约10 0 μm)内硬度提高 ,耐磨性改善 ;同时 ,辐照表面金属成分纯净化和组织结构均匀化 ,有利于提高金属材料耐蚀性。

强流脉冲离子束金属材料表面强化技术在中国的研究进展

以TIA-450型碳离子加速器为例,说明了磁绝缘二极管式强流脉冲离子束加速器的原理及结构,对国内该类型强流脉冲加速器在材料表面改性的研究和应用现状进行了系统的介绍,总结了强流脉冲离子束同金属材料交互作用的机理和特点,提出了强流脉冲离子束表面改性的未来发展方向.

强流脉冲离子束产生的实验研究

分析了箍缩反射离子的工作原理,实验研究了二极管结构参数对其电参数的影响。在200 kV加速器装置上获得了最大峰值2.1 kA、脉宽约20 ns、束能5.5 J的离子流,最大离子产生效率达到6.2％。

强流脉冲离子束辐照对电弧离子镀TiNbN硬质薄膜摩擦磨损性能的影响

利用分离靶电弧离子镀工艺在高速钢基体上制备TiNbN多元硬质薄膜,利用TEMP-6型强流脉冲离子束(HIPIB)设备,采用含C/H离子、加速电压300 kV、脉冲宽度70 ns、束流密度60 A/cm2的强流脉冲离子束对所制备的薄膜进行辐照处理,研究辐照前后膜层的摩擦磨损性能的变化。实验结果表明:HIPIB辐照以后,薄膜的表面熔化,摩擦系数降低,晶粒细化,膜层的硬度由HK3444提高到HK3820,膜基结合力由59N提高到65 N。在测试载荷300 N和600 N条件下,薄膜的摩擦磨损性能均有较大改善。

强流脉冲离子束辐照对DZ4合金微观结构的影响

利用成分为C^n＋（30mol％）和H^＋（70mol％），加速电压为250kV，脉冲宽度为70ns，束流密度为100A／cm^2的强流脉冲离子束（high intensity pulsed ion beam-HIPIB）辐照DZ4镍基高温合金，辐照次数分别为5、10和15次。利用透射电子显微镜（TEM）分析辐照前后合金表层微观结构的变化。结果显示，与原始样品比较，辐照不同次数后的样品最表面都产生了一层晶粒度为5～10nm的多晶层，它是由DZ4合金中各元素的单质相组成的。在距表面一定深度范围内，不存在γ’相；随着深度的增加，γ’相的含量逐渐增加。

强流脉冲离子束辐照涡轮叶片表面的清洗加工

利用强流脉冲离子束辐照的冲击加工作用,进行涡轮叶片表面氧化物的清洗加工。强流脉冲离子束的束斑面积为10-100cm2,离子能量为300keV,束流密度为350A/cm2,在辐照2-20次条件下,涡轮叶片基体表面因高温氧化形成的氧化物层完全去除;辐照表面微米深度浅层的快速熔化凝固,使叶片基体表面的微观缺陷焊合。通过强流脉冲离子束辐照,获得了光滑、平整的涡轮叶片基体表面,实现了涡轮叶片表面的清洗维修。

强流脉冲离子束核物理参数诊断技术初步研究

在“闪光二号”加速器产生的强流脉冲离子束(IPIB)调试过程中采用复合法进行参数诊断。主要测量质子与 C靶的核反应所产生的放射性核素的活度,从而确定离子数目。采用PIN探测器和闪烁体光电倍增管(光电管)监测瞬发γ射线和轫致辐射 X射线,用热释光探测器(TLD)监测漂移管外部的轫致辐射并确定了相应的屏蔽方法。采用偏压离子收集阵列测量离子束流密度分布,采用固体核径迹探测器 CR-39初步测量离子束流。

衬底温度对强流脉冲离子束烧蚀沉积类金刚石薄膜化学结构的影响

采用强流脉冲离子束 (High-intensity pulsed ion beam,HIPIB)烧蚀技术在 Si(1 0 0 )基体上沉积类金刚石 (Diamond-like carbon,DLC)薄膜 ,衬底温度的变化范围为 2 98～ 6 73K.利用 Raman光谱和 X射线光电子谱 (XPS)对 DLC薄膜的化学结合状态与衬底温度之间关系进行研究 .薄膜 XPS的 C1 s谱的解谱分析得出薄膜中含有 sp3 C(结合能为 2 85 .5 e V)和 sp2 C(结合能为 2 84 .7e V)成分 ,根据解谱结果评价薄膜中 sp3 C含量 .根据 XPS分析可知 ,衬底温度低于 4 73K时 ,sp3 C的含量大约为 4 0 %左右 ;随着沉积薄膜时衬底温度的提高 ,sp3 C的含量降低 ,由 2 98K时的 4 2 .5 %降到 6 73K时的 8.1 % ,从 5 73K开始发生 sp3 C向 sp2 C转变 .Raman光谱表明 ,随着衬底温度的提高 ,Raman谱中 G峰的峰位靠近石墨峰位 ,G峰的半峰宽降低 ,D峰与G峰的强度比 ID/IG 增大 ,说明薄膜中的 sp3 C的含量随衬底温度增加而减少 .