CN115733375A - 一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法，其高压加速电源单元的负端通过限流电阻连接到间热式电子枪的钨针，气体放电调节电路的负端连接到铝阴极，栅极电压调节电路的负端连接到栅极，气体放电调节电路与栅极电压调节电路的正端分别通过电阻连接到一点，并与钨针处于同电位，气体放电调节电路输出电压可以调节钨针的热发射状态，栅极电压调节电路输出电压用于调节通过栅极孔的电子量，高压加速电源单元用于调节通过栅极孔到达阳极电子的速度。本发明所述电源装置的电路数量减少，设计制造成本得以降低；简化了电源装置的拓扑电路，降低电源装置的设计难度；有利于提高电源装置的抗干扰能力。

Description

一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法

技术领域

本发明属于电子枪技术领域，具体涉及一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法。

背景技术

电子束加工技术在航空航天、兵器等国防工业领域及民用工业领域得到了广泛应用。近年来电子束加工技术的发展更加迅猛，尤其是在电子束增材制造技术领域的发展成就令世人瞩目，相应的电子束增材制造装备技术也得到了快速发展。

电子束增材制造装备包括电子束选区熔化增材制造装备和电子束熔丝沉积增材制造装备，近年来，为了满足航空航天等国防工业领域大型复杂金属结构快速制备的需求，无论是电子束选区熔化增材制造装备，还是电子束熔丝沉积增材制造装备，都要求其电子束源能够长期稳定工作，并且对其工作过程中的可靠性要求更高。

现有的电子束增材制造装备的电子束源一般采用直热式电子枪或间热式电子枪，直热式电子枪通常采用片状灯丝，通过灯丝加热电源直接加热灯丝发射电子，并由栅极电源调控束流，以及采用加速电源加速电子；间热式电子枪通常需要采用灯丝加热电源输出电流加热蚊香盘状或螺旋状灯丝，并在灯丝和阴极之间施加由轰击电源产生的轰击电压，使灯丝产生电子轰击阴极再发射电子，所发射的通过栅极孔到达阳极的电子数量由栅极电源施加到栅极上的电压决定，栅极和阳极之间施加了由加速电源输出的负高压，将产生静电场，所述静电场使通过栅极孔的电子加速。

直热式电子枪在大功率束流输出时，要求灯丝加热电源输出电流很大，一般需要达到数十安培，这对高压传输、灯丝加热电源的设计提出了苛刻要求；间热式电子枪虽然在大功率束流输出时灯丝加热电源输出电流不大，但是要求轰击电源提供的轰击电流很大，轰击电流大，容易导致阴极(钨块)击穿，使束流无法正常输出，且高压电缆至少是四芯导体才能满足需求；常规间热式电子枪的电源至少需要灯丝加热电源、轰击电源、栅极(偏压)电源、加速电源才能满足电子束流正常输出的需求，因此常规间热式电子枪的电源设计制造技术难度大、束流调控方式繁琐，且难度较大。

现有电子束增材制造的电子枪，无论是采用直热式电子枪还是间热式电子枪，都是有灯丝存在，即使是采用特殊工艺处理的灯丝，无论是哪一种结构，在电子束增材制造高金属蒸气污染的恶劣真空环境下长期使用，都不可避免的存在阴极寿命有限，长期使用易出现阴极变形导致束流品质变差的问题，继而影响到大型金属结构增材制造的质量。鉴于当前航空航天领域对大型复杂金属结构电子束增材制造的迫切需求，研发一种工作电压高、阴极寿命长、束斑小、电子束能量密度高的电子枪势在必行。针对上述问题，在深入研究常用电子枪电子激发模式的基础之上，结合现有间热式电子枪与冷阴极气体放电电子枪技术的优点，发明了一种基于气体放电的间热式电子枪，所述电子枪中工作气体放电产生的等离子体中的正离子轰击铝阴极，铝阴极发射二次电子，二次电子被铝阴极和钨针构成的静电场加速并轰击钨针，将动能转化成热能，加热钨针，使钨针达到热发射状态发射电子，并通过栅极负电压调控钨针发射电子束流大小，继而通过栅极与阳极构成的高压电场加速电子，其中阳极接地。因此，如何设计一种针对于上述间热式电子枪的、可以通过气体放电激发电子并调控电子发生量及加速电子的电源装置成为亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种间热式电子枪的电源装置及其使用方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种间热式电子枪的电源装置，包括高压加速电源单元、主控制单元、气体放电调节电路、栅极电压调节电路、信号转化电路、隔离供电电路和光纤组，其中：

所述高压加速电源单元的正输出端连接束流取样电阻R3的第一端，束流取样电阻R3的第二端接地，并与真空室联接；

所述高压加速电源单元的负输出端连接限流电阻R0的第一端，限流电阻R0的第二端连接钨针，限流电阻R0的第二端连接分压电阻R4的第一端，分压电阻R4的第二端连接采样电阻R5的第一端，采样电阻R5的第二端连接所述高压加速电源单元的正输出端，采样电阻R5的第一端和第二端均连接主控制单元，所述主控制单元还连接高压加速电源单元和隔离供电电路；

所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R1的第一端，分压电阻R1的第二端连接气体放电调节电路的正输出端，所述气体放电调节电路的负输出端连接铝阴极，所述气体放电调节电路连接信号转化电路；

所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R2的第一端，分压电阻R2的第二端连接栅极电压调节电路的正输出端，所述栅极电压调节电路的负输出端连接栅极，所述栅极电压调节电路连接信号转化电路；

所述限流电阻R0的第二端连接隔离供电电路的负输出端，所述隔离供电电路的第一输出端连接气体放电调节电路、栅极电压调节电路，所述隔离供电电路的第二输出端连接信号转化电路；

所述信号转化电路通过光纤组连接主控制单元。

优选的，所述高压加速电源单元包括第一整流电路、第一逆变电路、倍压整流电路、第一PWM调节电路和第一升压变压器；其中：

所述第一整流电路的输入端连接三相380V交流电，所述第一整流电路的输出端连接第一逆变电路的输入端，第一逆变电路的输出端连接第一升压变压器的输入端，第一升压变压器的输出端连接倍压整流电路的输入端，倍压整流电路的正输出端作为高压加速电源单元的正输出端，倍压整流电路的负输出端作为高压加速电源单元的负输出端，第一PWM调节电路连接第一逆变电路和主控制单元。

优选的，所述主控制单元包括DSP主控与第一PID调节电路、第一压/频及频/压信号转化电路、第一光纤信号接收端子、第二光纤信号接收端子、第三光纤信号接收端子、第一光纤信号发射端子、第二光纤信号发射端子和第四光纤信号接收端子；其中：

所述DSP主控与第一PID调节电路连接第一压/频及频/压信号转化电路，第一压/频及频/压信号转化电路连接第一光纤信号接收端子、第二光纤信号接收端子、第三光纤信号接收端子、第四光纤信号接收端子的输出端以及第一光纤信号发射端子、第二光纤信号发射端子的输入端；

所述DSP主控与第一PID调节电路连接高压加速电源单元以及采样电阻R5的第一端和第二端，第一压/频及频/压信号转化电路连接隔离供电电路，第一光纤信号接收端子、第二光纤信号接收端子、第三光纤信号接收端子、第四光纤信号接收端子的输入端以及第一光纤信号发射端子、第二光纤信号发射端子的输出端分别通过光纤连接信号转化电路。

优选的，所述隔离供电电路包括第二整流电路、第二逆变电路、隔离变压器、隔离整流电路、第二PID调节电路、第二PWM调节电路、第二霍尔电流传感器、和第二霍尔电压传感器；所述隔离变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组；其中：

所述第二整流电路的输入端连接三相380V交流电，所述第二整流电路的输出端连接第二逆变电路的输入端，第二逆变电路的输出端连接隔离变压器的原边绕组，隔离变压器的第一副边绕组连接隔离整流电路的输入端，隔离整流电路的输出端作为隔离供电电路的第一输出端，隔离变压器的第二副边绕组作为隔离供电电路的第二输出端；第二霍尔电流传感器采集第二逆变电路的输出电流并将其发送到第二PID调节电路；第二霍尔电压传感器采集隔离整流电路的输出电压即第一隔离电压反馈电信号并将其发送到信号转化电路；第二PID调节电路连接第二PWM调节电路和主控制单元，第二PWM调节电路连接第二逆变电路。

优选的，所述气体放电调节电路包括第三逆变电路、第三升压变压器、第三整流电路、第三霍尔电流传感器、第三霍尔电压传感器、第三PID调节电路和第三PWM调节电路；其中：

所述第三逆变电路的输入端连接隔离供电电路的第一输出端，第三逆变电路的输出端连接第三升压变压器的输入端，第三升压变压器的输出端连接第三整流电路的输入端，第三整流电路的负输出端作为气体放电调节电路的负输出端，第三整流电路的正输出端作为气体放电调节电路的正输出端，第三霍尔电流传感器采集第三整流电路的正输出端的电流即第一气体放电电流反馈电信号并将其输入到第三PID调节电路和信号转化电路，第三霍尔电压传感器采集第三整流电路的输出端电压即第一气体放电电压反馈电信号并将其输入第三PID调节电路和信号转化电路，第三PID调节电路连接第三PWM调节电路和信号转化电路，第三PWM调节电路连接第三逆变电路。

优选的，所述栅极电压调节电路包括第四逆变电路、第四升压变压器、第四整流电路、第四霍尔电流传感器、第四霍尔电压传感器、第四PID调节电路和第四PWM调节电路；其中：

所述第四逆变电路的输入端连接隔离供电电路的第一输出端，第四逆变电路的输出端连接第四升压变压器的输入端，第四升压变压器的输出端连接第四整流电路的输入端，第四整流电路的负输出端作为栅极电压调节电路的负输出端，第四整流电路的正输出端作为栅极电压调节电路的正输出端，第四霍尔电流传感器采集第四整流电路的正输出端的电流并将其输入到第四PID调节电路，第四霍尔电压传感器采集第四整流电路的输出端电压即第一栅极电压反馈电信号并将其输入第四PID调节电路和信号转化电路，第四PID调节电路连接第四PWM调节电路和信号转化电路，第四PWM调节电路连接第四逆变电路。

优选的，所述信号转化电路包括第二压/频及频/压信号转化电路、第三光纤信号发射端子、第四光纤信号发射端子、第五光纤信号发射端子、第五光纤信号接收端子、第六光纤信号接收端子、第六光纤信号发射端子、供电整流电路和DC/DC变换电路；其中：

所述供电整流电路的输入端连接隔离供电电路的第二输出端，供电整流电路的输出端连接DC/DC变换电路的输入端，DC/DC变换电路的输出端连接第二压/频及频/压信号转化电路，第二压/频及频/压信号转化电路连接第三光纤信号发射端子、第四光纤信号发射端子、第五光纤信号发射端子、第六光纤信号发射端子的输入端以及第五光纤信号接收端子、第六光纤信号接收端子的输出端；

所述供电整流电路的负输出端、DC/DC变换电路和第二压/频及频/压信号转化电路的参考地均连接到限流电阻R0的第二端，所述第二压/频及频/压信号转化电路还连接隔离供电电路以及气体放电调节电路以及栅极电压调节电路，第三光纤信号发射端子、第四光纤信号发射端子、第五光纤信号发射端子、第六光纤信号发射端子的输出端以及第五光纤信号接收端子、第六光纤信号接收端子的输入端分别通过光纤连接主控制单元。

优选的，还包括油箱，所述油箱内部充满绝缘油，将高压加速电源单元的倍压整流电路、第一升压变压器以及隔离供电电路的隔离变压器、隔离整流电路以及气体放电调节电路以及栅极电压调节电路以及信号转化电路浸没在绝缘油中。

优选的，所述主控制单元还连接气体流量控制器和聚焦线圈驱动电路。

一种间热式电子枪的电源装置的使用方法，包括如下步骤：

S1、当工件所在的真空室、间热式电子枪的真空度达到设定要求，以及水冷压力、压缩空气压力达到设定要求时，启动三相交流电给电源装置供电，隔离供电电路正常工作，隔离整流电路输出为500V直流电，第二压/频及频/压信号转化电路获得±15V供电；

主控制单元将第二栅极电压给定电信号U_bg2设置到最大，通过第一压/频及频/压信号转化电路、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路后得到第一栅极电压给定电信号U_bg，再传输给第四PID调节电路，使栅极电压调节电路中各个部件正常工作，继而使与栅极电压调节电路的负输出端连接的栅极电压达到-2000V；

同时，主控制单元根据系统设置默认值，通过聚焦线圈驱动电路使主聚焦线圈通电；

S2、主控制单元检测是否有来自上位机的高压给定电信号U_HVg，如果有高压给定电信号U_HVg，则主控制单元根据高压给定电信号U_HVg、采样电阻R5的第一端的高压反馈电信号U_HV进行PID调节，将调节后的信号送入第一PWM调节电路，控制第一逆变电路中功率开关管的开通/关断，使经过第一整流电路整流后获得的500V直流电，变换成逆变频率20kHz、幅值可调的交流电，再经过第一升压变压器升压、倍压整流电路整流后，获得与高压给定电信号U_HVg相一致的负高压，继而使通过限流电阻R0与倍压整流电路的负输出端连接的钨针获得负高压；

S3、主控制单元检测是否有来自上位机的束流给定电信号U_Ibg，如果有束流给定电信号U_Ibg，则跳转到S5；否则，检测是否有来自上位机的气体放电电压初始电信号U_ggw，如果没有则跳转到S2；否则执行S4；

S4、主控制单元开启气体流量控制器，向间热式电子枪内部通入工作气体，主控制单元根据气体放电电压初始电信号U_ggw，将第二气体放电电压给定电信号U_gg2设为气体放电电压初始电信号U_ggw，将所述第二气体放电电压给定电信号U_gg2经过第一压/频及频/压信号转化电路、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路后得到新的第一气体放电电压给定电信号U_gg，再传输给第三PID调节电路，使气体放电调节电路中各个部件正常工作，继而使与气体放电调节电路的负输出端连接的铝阴极电压与第二气体放电电压给定电信号U_gg2对应的实际气体放电电压相同，并根据反馈到主控制单元的第二气体放电电流反馈电信号I_gf2，对钨针发射电子的热发射状态进行判断，跳转至S8；

S5、主控制单元开启气体流量控制器，向间热式电子枪内部通入工作气体，同时主控制单元给出系统默认的第二气体放电电压给定电信号U_gg2，通过第一压/频及频/压信号转化电路、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路后得到新的第一气体放电电压给定电信号U_gg，再传输给第三PID调节电路，使气体放电调节电路中各个部件正常工作，继而使与气体放电调节电路的负输出端连接的铝阴极电压与第二气体放电电压给定电信号U_gg2对应的实际气体放电电压相同；

在铝阴极与钨针之间存在数千伏负电压，使铝阴极和钨针之间的工作气体放电形成等离子体，等离子体中的正离子轰击铝阴极表面，激发出二次电子向钨针轰击，二次电子将动能转化成热能，使钨针加热到发射电子的热发射状态；

钨针发射电子的热发射状态通过第一气体放电电流反馈电信号I_gf的大小来判断，第一气体放电电流反馈电信号I_gf经过第二压/频及频/压信号转化电路、光纤、第一压/频及频/压信号转化电路后得到第二气体放电电流反馈电信号I_gf2输入到DSP主控与第一PID调节电路，DSP主控与第一PID调节电路的存储器中存储了一系列气体流量、气体放电电压、气体放电电流、束流大小对应关系的数据表，通过查表后，获得气体流量给定值，主控制单元重新设置气体流量控制器的气体流量大小，使第一气体放电电流反馈电信号I_gf达到设定状态；

S6、主控制单元根据束流给定电信号U_Ibg、束流反馈电信号U_Ib进行PID调节，经过PID调节的信号通过第一压/频及频/压信号转化电路、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路后得到新的第一栅极电压给定电信号U_bg，再传输给第四PID调节电路，使栅极电压调节电路中各个部件正常工作，继而调节栅极电压，使束流采样电阻R3的第一端的束流反馈电信号U_Ib与束流给定电信号U_Ibg相一致；

S7、检测是否有来自上位机的停止信号，若没有检测到停止信号，则跳转至S2；否则，检测到停止信号，则跳转至S9；

S8、检测是否有来自上位机的气体放电电压初始电信号U_ggw，有，则跳转至S4，否则跳转至S2；

S9、主控制单元将不考虑高压给定电信号U_HVg，直接将送入第一PWM调节电路的信号设置为零，使高压加速电源单元输出为零，并将第二气体放电电压给定电信号U_gg2和第二栅极电压给定电信号U_bg2设置为0，使气体放电调节电路、栅极电压调节电路输出为零，关闭气体流量控制器、聚焦线圈驱动电路，然后关闭三相交流电。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的有益效果：

本发明所述电源装置，其高压加速电源单元的负端通过限流电阻连接到间热式电子枪的钨针，气体放电调节电路的负端连接到铝阴极，栅极电压调节电路的负端连接到栅极，气体放电调节电路与栅极电压调节电路的正端分别通过电阻连接到一点，并与钨针处于同电位，气体放电调节电路输出电压可以调节钨针的热发射状态，栅极电压调节电路输出电压用于调节通过栅极孔的电子量，高压加速电源单元用于调节通过栅极孔到达阳极电子的速度；具有如下优点：

1、仅需要作为加速电源的高压加速电源单元、作为气体放电电源的气体放电调节电路以及作为栅极电源的栅极电压调节电路，电路数量减少，设计制造成本得以降低；

2、采用隔离供电电路分别为气体放电调节电路、栅极电压调节电路和信号转化电路供电，简化了电源装置的拓扑电路，降低电源装置的设计难度；

3、分别在连接在负高压上的气体放电调节电路、栅极电压调节电路、隔离供电电路的输出端采集气体放电电压、气体放电电流、栅极电压、隔离供电电路输出电压，并利用压频转化、光纤传输、频压转化技术，将所述气体放电电源输出电压及电流、栅极电压、隔离供电电路输出电压传输到电源装置的控制系统中，有利于提高电源装置的抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明所述电源装置与电子枪联接的示意图；

图2是本发明所述电源装置的高压加速电源单元及其部分外围电路的电路示意图；

图3是本发明所述电源装置的主控制单元及其部分外围电路的电路示意图；

图4是本发明所述电源装置的隔离供电电路及其部分外围电路的电路示意图；

图5是本发明所述电源装置的气体放电调节电路及其部分外围电路的电路示意图；

图6是本发明所述电源装置的栅极电压调节电路及其部分外围电路的电路示意图；

图7是本发明所述电源装置的信号转化电路及其部分外围电路的电路示意图；

其中：1、高压加速电源单元；101、第一整流电路；102、第一逆变电路；103、倍压整流电路；104、第一PWM调节电路；105、第一升压变压器；

2、主控制单元；20、DSP主控与第一PID调节电路；200、第一压/频及频/压信号转化电路；201、第一光纤信号接收端子；202、第二光纤信号接收端子；203、第三光纤信号接收端子；204、第一光纤信号发射端子；205、第二光纤信号发射端子；206、第四光纤信号接收端子；

3、气体放电调节电路；301、第三逆变电路；302、第三升压变压器；303、第三整流电路；304、第三霍尔电流传感器；305、第三霍尔电压传感器；306、第三PID调节电路；307、第三PWM调节电路；

4、栅极电压调节电路；401、第四逆变电路；402、第四升压变压器；403、第四整流电路；404、第四霍尔电流传感器；405、第四霍尔电压传感器；406、第四PID调节电路；407、第四PWM调节电路；

5、信号转化电路；500、第二压/频及频/压信号转化电路；501、第三光纤信号发射端子；502、第四光纤信号发射端子；503、第五光纤信号发射端子；504、第五光纤信号接收端子；505、第六光纤信号接收端子；506、第六光纤信号发射端子；507、供电整流电路；508、DC/DC变换电路；

6、气体流量控制器；

7、隔离供电电路；71、第二整流电路；72、第二逆变电路；73、隔离变压器；74、隔离整流电路；75、第二PID调节电路；76、第二PWM调节电路；77、第二霍尔电流传感器；78、第二霍尔电压传感器；731、隔离变压器的原边绕组；732、隔离变压器的第一副边绕组；733、隔离变压器的第二副边绕组；

8、光纤组；

9、工件；

10、聚焦线圈驱动电路；

11、真空室；

12、间热式电子枪；121、铝阴极；122、钨针；123、栅极；124、阳极；125、主聚焦线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明公开了一种间热式电子枪的电源装置，是一种能够为基于气体放电间热式电子枪提供气体放电电源、栅极电源、加速电源的电源装置，相应的基于气体放电间热式电子枪的电源装置仅需要气体放电电源、栅极电源、加速电源即可满足束流长期稳定输出的需求。所述电源装置包括高压加速电源单元1、主控制单元2、气体放电调节电路3、栅极电压调节电路4、信号转化电路5、隔离供电电路7和光纤组8。如图1所示，它们的连接方式如下：

所述高压加速电源单元1的正输出端连接束流取样电阻R3的第一端，束流取样电阻R3的第二端接地，并与真空室11联接，使由间热式电子枪12发射出的电子，通过真空室11、束流采样电阻R3连接到高压加速电源单元1的正输出端，形成回路；

所述高压加速电源单元1的负输出端连接限流电阻R0的第一端，限流电阻R0的第二端连接间热式电子枪12的钨针122，限流电阻R0的第二端连接分压电阻R4的第一端，分压电阻R4的第二端连接采样电阻R5的第一端，采样电阻R5的第二端连接所述高压加速电源单元1的正输出端，分压电阻R4与采样电阻R5组成高压采样电路；采样电阻R5的第一端和第二端均连接主控制单元2，采样电阻R5将采样的高压信号传输给主控制单元2，束流取样电阻R3将采集的束流信号传输给主控制单元2；所述主控制单元2还连接高压加速电源单元1和隔离供电电路7，主控制单元2根据PID调节的电压信号，改变PWM输出脉冲宽度，再传输给高压加速电源单元1中的第一PWM调节电路104，继而改变高压加速电源单元1中的第一逆变电路102中功率开关器件的开通/关断时间，从而保障高压加速电源单元1输出电压的稳定度；

所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R1的第一端，分压电阻R1的第二端连接气体放电调节电路3的正输出端，所述气体放电调节电路3的负输出端连接间热式电子枪12的铝阴极121，所述气体放电调节电路3连接信号转化电路5，气体放电调节电路3发送第一气体放电电流反馈电信号I_gf、第一气体放电电压反馈电信号U_gf给信号转化电路5，信号转化电路5发送第一气体放电电压给定电信号U_gg给气体放电调节电路3；

所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R2的第一端，分压电阻R2的第二端连接栅极电压调节电路4的正输出端，所述栅极电压调节电路4的负输出端连接间热式电子枪12的栅极123，所述栅极电压调节电路4连接信号转化电路5，栅极电压调节电路4发送第一栅极电压反馈电信号U_bf给信号转化电路5，信号转化电路5发送第一栅极电压给定电信号U_bg给栅极电压调节电路4；

所述限流电阻R0的第二端连接隔离供电电路7的负输出端，所述隔离供电电路7的第一输出端连接气体放电调节电路3的输入端、栅极电压调节电路4的输入端，第二输出端连接信号转化电路5的输入端，由隔离供电电路7为气体放电调节电路3、栅极电压调节电路4和信号转化电路5提供电能，所述隔离供电电路7连接信号转化电路5，隔离供电电路7发送第一隔离电压反馈电信号U_2f给信号转化电路5；

所述信号转化电路5通过光纤组8连接主控制单元2，信号转化电路5发送气体放电电流反馈脉冲信号I_gf1、气体放电电压反馈脉冲信号U_gf1、栅极电压反馈脉冲信号U_bf1、隔离电压反馈脉冲信号U_2f1给主控制单元2，主控制单元2发送气体放电电压给定脉冲信号U_gg1、栅极电压给定脉冲信号U_bg1给信号转化电路5。

所述主控制单元2还连接气体流量控制器6，用于控制输入到间热式电子枪12内部的工作气体流量大小。

所述主控制单元2还连接聚焦线圈驱动电路10，用于调节间热式电子枪12的主聚焦线圈125的电流大小。

如图2所示，所述高压加速电源单元1包括第一整流电路101、第一逆变电路102、倍压整流电路103、第一PWM调节电路104和第一升压变压器105；其中：

所述第一整流电路101的输出端连接第一逆变电路102的输入端，第一逆变电路102的输出端连接第一升压变压器105的输入端，第一升压变压器105的输出端连接倍压整流电路103的输入端，倍压整流电路103的正输出端作为高压加速电源单元1的正输出端，倍压整流电路103的负输出端作为高压加速电源单元1的负输出端，第一PWM调节电路104连接第一逆变电路102和主控制单元2的DSP主控与第一PID调节电路20。

所述第一PWM调节电路104接收主控制单元2发送的PWM信号，根据PWM信号控制第一逆变电路102中功率开关管的开通/关断；

三相380V交流电经过第一整流电路101变换成500V直流电，再经过第一逆变电路102变换成电压0～500V可调、脉冲频率20kHz的交流方波，再经过第一升压变压器105升压变换成电压0～10000V可调、脉冲频率20kHz的交流方波，最后经过倍压整流电路103整流后变成0～-150kV直流电输出；

所述0～-150kV直流电通过限流电阻R0连接到隔离供电电路7的负输出端，所述0～-150kV直流电通过限流电阻R0还分别连接了分压电阻R1的第一端和分压电阻R2的第一端；分压电阻R1的第二端连接到气体放电调节电路3的正输出端；分压电阻R2的第二端连接到栅极电压调节电路4的正输出端。

所述第一升压变压器105的原边绕组与副边绕组的变比为1:20，所述第一升压变压器105的原边绕组与副边绕组的耐压等级不小于25kV。

如图3所示，所述主控制单元2包括DSP主控与第一PID调节电路20、第一压/频及频/压信号转化电路200、第一光纤信号接收端子201、第二光纤信号接收端子202、第三光纤信号接收端子203、第一光纤信号发射端子204、第二光纤信号发射端子205和第四光纤信号接收端子206；其中：

所述DSP主控与第一PID调节电路20连接第一压/频及频/压信号转化电路200，第一压/频及频/压信号转化电路200连接第一光纤信号接收端子201、第二光纤信号接收端子202、第三光纤信号接收端子203、第四光纤信号接收端子206的输出端以及第一光纤信号发射端子204、第二光纤信号发射端子205的输入端；

所述DSP主控与第一PID调节电路20连接高压加速电源单元1的第一PWM调节电路104以及采样电阻R5的第一端和第二端，第一压/频及频/压信号转化电路200连接隔离供电电路7的第二PID调节电路75，第一光纤信号接收端子201、第二光纤信号接收端子202、第三光纤信号接收端子203、第四光纤信号接收端子206的输入端以及第一光纤信号发射端子204、第二光纤信号发射端子205的输出端分别通过光纤连接信号转化电路5的第三光纤信号发射端子501、第四光纤信号发射端子502、第五光纤信号发射端子503、第六光纤信号发射端子506的输出端以及第五光纤信号接收端子504、第六光纤信号接收端子505的输入端。

所述第一压/频及频/压信号转化电路200将第一光纤信号接收端子201接收到的气体放电电流反馈脉冲信号I_gf1转换成第二气体放电电流反馈电信号I_gf2，并发送给DSP主控与第一PID调节电路20；将第二光纤信号接收端子202接收到的气体放电电压反馈脉冲信号U_gf1转换成第二气体放电电压反馈电信号U_gf2，并发送给DSP主控与第一PID调节电路20；将第三光纤信号接收端子203接收到的栅极电压反馈脉冲信号U_bf1转换成第二栅极电压反馈电信号U_bf2，并发送给DSP主控与第一PID调节电路20；将第四光纤信号接收端子206接收到的隔离电压反馈脉冲信号U_2f1转换成第二隔离电压反馈电信号U_2f2，并发送给隔离供电电路7的第二PID调节电路75；

所述DSP主控与第一PID调节电路20从上位机等输入装置输入高压给定电信号U_HVg、束流给定电信号U_Ibg、气体放电电压初始电信号U_ggw，从采样电阻R5的第一端输入高压反馈电信号U_HV，从采样电阻R5的第二端输入束流反馈电信号U_Ib；

所述DSP主控与第一PID调节电路20根据高压给定电信号U_HVg和高压反馈电信号U_HV得到送入高压加速电源单元1中第一PWM调节电路104的PWM信号；根据束流给定电信号U_Ibg和气体放电电压初始电信号U_ggw得到第二气体放电电压给定电信号U_gg2，第一压/频及频/压信号转化电路200将接收到的由DSP主控与第一PID调节电路20输出的第二气体放电电压给定电信号U_gg2转换成气体放电电压给定脉冲信号U_gg1，并通过第二光纤信号发射端子205发送给信号转化电路5；根据束流给定电信号U_Ibg和束流反馈电信号U_Ib得到第二栅极电压给定电信号U_bg2，第一压/频及频/压信号转化电路200将接收到的由DSP主控与第一PID调节电路20输出的第二栅极电压给定电信号U_bg2转换成栅极电压给定脉冲信号U_bg1，并通过第一光纤信号发射端子204发送给信号转化电路5。

所述DSP主控与第一PID调节电路20既包括DSP主控电路，又包括了加速电源的PID调节电路。

所述DSP主控与第一PID调节电路20还可以连接气体流量控制器6和聚焦线圈驱动电路10。

如图4所示，所述隔离供电电路7包括第二整流电路71、第二逆变电路72、隔离变压器73、隔离整流电路74、第二PID调节电路75、第二PWM调节电路76、第二霍尔电流传感器77和第二霍尔电压传感器78；所述隔离变压器73包括原边绕组731、第一副边绕组732和第二副边绕组733；其中：

所述第二整流电路71的输出端连接第二逆变电路72的输入端，第二逆变电路72的输出端连接隔离变压器73的输入端即隔离变压器的原边绕组731，隔离变压器73的第一输出端即隔离变压器的第一副边绕组732连接隔离整流电路74的输入端，隔离整流电路74的输出端作为隔离供电电路7的第一输出端，连接气体放电调节电路3中的第三逆变电路301和栅极电压调节电路4中的第四逆变电路401，隔离变压器73的第二输出端即隔离变压器的第二副边绕组733作为隔离供电电路7的第二输出端，连接信号转化电路5中的供电整流电路507；第二霍尔电流传感器77采集第二逆变电路72的输出电流并将其发送到第二PID调节电路75；第二霍尔电压传感器78采集隔离整流电路74的输出电压即第一隔离电压反馈电信号并将其发送到信号转化电路5中的第二压/频及频/压信号转化电路500；第二PID调节电路75连接第二PWM调节电路76和主控制单元2中的DSP主控与第一PID调节电路200，第二PWM调节电路76连接第二逆变电路72。

所述三相380V交流电经过第二整流电路71变换成500V直流电，再经过第二逆变电路72变换成幅值电压500V、脉冲频率20kHz的交流方波，再经过隔离变压器73变换成幅值电压500V、脉冲频率20kHz的交流方波，经过隔离整流电路74后变成500V直流电；

所述第二PID调节电路75根据第一压/频及频/压信号转化电路200发送的第二隔离电压反馈电信号U2f2以及内部预先设定的电压给定信号进行PID调节，将经过第二PID调节电路75调节所获得的信号输入到第二PWM调节电路76，第二PWM调节电路76调整输入到第二逆变电路72的PWM脉冲宽度，第二逆变电路72调整其内部功率开关的导通/关断时间，以获得幅值电压500V、脉冲频率20kHz的交流方波；

第二霍尔电流传感器77检测到的电流I_2f同时输入到第二PID调节电路75，用于限制隔离供电电路7最大功率，对其进行保护。

所述隔离变压器73的原边绕组731与第一副边绕组732的变比为1:1，所述隔离变压器73的原边绕组731与第二副边绕组733的变比为25:1，原边绕组731、第一副边绕组732与第二副边绕组733的耐压等级不小于230kV。

所述隔离变压器73不仅用于用于保障气体放电调节电路3、栅极电压调节电路4、信号转化电路5所需要的电能，而且能够保障原边绕组731连接的低压电路与2个副边绕组连接的电路之间的高压绝缘；

所述隔离整流电路74为全桥整流电路，分别为气体放电调节电路3中的第三逆变电路301、栅极电压调节电路4中的第四逆变电路401供电。

如图5所示，所述气体放电调节电路3包括第三逆变电路301、第三升压变压器302、第三整流电路303、第三霍尔电流传感器304、第三霍尔电压传感器305、第三PID调节电路306和第三PWM调节电路307；其中：

所述第三逆变电路301的输入端连接隔离供电电路7中隔离整流电路74的输出端，第三逆变电路301的输出端连接第三升压变压器302的输入端，第三升压变压器302的输出端连接第三整流电路303的输入端，第三整流电路303的负输出端作为气体放电调节电路3的负输出端，连接间热式电子枪12的铝阴极121，第三整流电路303的正输出端作为气体放电调节电路3的正输出端，连接分压电阻R1的第二端，第三霍尔电流传感器304采集第三整流电路303的正输出端的电流即第一气体放电电流反馈电信号并将其输入到第三PID调节电路306和信号转化电路5中的第二压/频及频/压信号转化电路500，第三霍尔电压传感器305采集第三整流电路303的输出端电压即第一气体放电电压反馈电信号并将其输入第三PID调节电路306和信号转化电路5中的第二压/频及频/压信号转化电路500，第三PID调节电路306连接第三PWM调节电路307和信号转化电路5中的第二压/频及频/压信号转化电路500，第三PWM调节电路307连接第三逆变电路301。

所述第三PID调节电路306根据第三霍尔电流传感器304检测到的第一气体放电电流反馈电信号I_gf、第三霍尔电压传感器305检测到的第一气体放电电压反馈电信号U_gf以及经信号转化电路5中第二压/频及频/压信号转化电路500转换的第一气体放电电压给定电信号U_gg进行PID调节，将经过第三PID调节电路306调节所获得的信号输入到第三PWM调节电路307，第三PWM调节电路307调整输入到第三逆变电路301的PWM脉冲宽度，第三逆变电路301调整其内部功率开关的导通/关断时间，将来自隔离供电电路7中隔离整流电路74的直流电转换成幅值可控的20kHz交流电，再经过第三升压变压器302进行升压及第三整流电路303整流，获得与第二气体放电电压给定电信号U_gg2对应的实际气体放电电压，并经过第三整流电路303的负输出端传输给铝阴极121。第二气体放电电压给定电信号U_gg2一般较低，小于10V，而实际气体放电电压在数千伏，但第二气体放电电压给定电信号U_gg2与实际放电电压一一对应。

所述第三升压变压器302的原边绕组与副边绕组的变比为1:5，所述第三升压变压器302的原边绕组与副边绕组的耐压等级不小于5000V。

如图6所示，所述栅极电压调节电路4包括第四逆变电路401、第四升压变压器402、第四整流电路403、第四霍尔电流传感器404、第四霍尔电压传感器405、第四PID调节电路406和第四PWM调节电路407；其中：

所述第四逆变电路401的输入端连接隔离供电电路7中隔离整流电路74的输出端，第四逆变电路401的输出端连接第四升压变压器402的输入端，第四升压变压器402的输出端连接第四整流电路403的输入端，第四整流电路403的负输出端作为栅极电压调节电路4的负输出端，连接间热式电子枪12的栅极123，第四整流电路403的正输出端作为栅极电压调节电路4的正输出端，连接分压电阻R2的第二端，第四霍尔电流传感器404采集第四整流电路403的正输出端的电流并将其输入到第四PID调节电路406，第四霍尔电压传感器405采集第四整流电路403的输出端电压即第一栅极电压反馈电信号并将其输入第四PID调节电路406和信号转化电路5中的第二压/频及频/压信号转化电路500，第四PID调节电路406连接第四PWM调节电路407和信号转化电路5中的第二压/频及频/压信号转化电路500，第四PWM调节电路407连接第四逆变电路401。

所述第四PID调节电路406根据第四霍尔电流传感器404检测到的电流I_bf、第四霍尔电压传感器405检测到的第一栅极电压反馈电信号U_bf以及经信号转化电路5中第二压/频及频/压信号转化电路500转换的第一栅极电压给定电信号U_bg进行PID调节，将经过第四PID调节电路406调节所获得的信号输入到第四PWM调节电路407，第四PWM调节电路407调整输入到第四逆变电路401的PWM脉冲宽度，第四逆变电路401调整其内部功率开关的导通/关断时间，将来自隔离供电电路7中隔离整流电路74的直流电转换成幅值可控的20kHz交流电，再经过第四升压变压器402进行升压及第四整流电路403整流，获得与第二栅极电压给定电信号U_bg2相一致的栅极电压，并经过第四整流电路403的负输出端传输给栅极123。

所述第四升压变压器402的原边绕组与副边绕组的变比为1:4，所述第四升压变压器402的原边绕组与副边绕组的耐压等级不小于5000V。

如图7所示，所述信号转化电路5包括第二压/频及频/压信号转化电路500、第三光纤信号发射端子501、第四光纤信号发射端子502、第五光纤信号发射端子503、第五光纤信号接收端子504、第六光纤信号接收端子505、第六光纤信号发射端子506、供电整流电路507和DC/DC变换电路508；其中：

所述供电整流电路507的输入端连接隔离供电电路7中隔离变压器的第二副边绕组733，供电整流电路507的的输出端连接DC/DC变换电路508的输入端，DC/DC变换电路508的输出端连接第二压/频及频/压信号转化电路500，第二压/频及频/压信号转化电路500连接第三光纤信号发射端子501、第四光纤信号发射端子502、第五光纤信号发射端子503、第六光纤信号发射端子506的输入端以及第五光纤信号接收端子504、第六光纤信号接收端子505的输出端；

所述供电整流电路507的负输出端、DC/DC变换电路508和第二压/频及频/压信号转化电路500的参考地SGND均连接到限流电阻R0的第二端(即图2和图7中的HV点)，用于保障供电整流电路507的负输出端、DC/DC变换电路508的参考地SGND电位与气体放电调节电路3、栅极电压调节电路4的地电位一致；

所述供电整流电路507为DC/DC变换电路508提供+20V直流电，DC/DC变换电路508将+20V直流电换变成±15V直流电，为第二压/频及频/压信号转化电路500供电；

所述第二压/频及频/压信号转化电路500还连接隔离供电电路7中的第二霍尔电压传感器78以及气体放电调节电路3中的第三霍尔电流传感器304、第三霍尔电压传感器305、第三PID调节电路306以及栅极电压调节电路4中的第四霍尔电压传感器405、第四PID调节电路406，第三光纤信号发射端子501、第四光纤信号发射端子502、第五光纤信号发射端子503、第六光纤信号发射端子506的输出端以及第五光纤信号接收端子504、第六光纤信号接收端子505的输入端分别通过光纤连接主控制单元中的第一光纤信号接收端子201、第二光纤信号接收端子202、第三光纤信号接收端子203、第四光纤信号接收端子206的输入端以及第一光纤信号发射端子204、第二光纤信号发射端子205的输出端。

所述第二压/频及频/压信号转化电路500将第三霍尔电流传感器304采集的第一气体放电电流反馈电信号I_gf转换成适用于光纤信号传输的气体放电电流反馈脉冲信号I_gf1，并通过第三光纤信号发射端子501发送给主控制单元2中的第一光纤信号接收端子201；所述第二压/频及频/压信号转化电路500将第三霍尔电压传感器305采集的第一气体放电电压反馈电信号U_gf转换成适用于光纤信号传输的气体放电电压反馈脉冲信号U_gf1，并通过第四光纤信号发射端子502发送给主控制单元2中的第二光纤信号接收端子202；所述第二压/频及频/压信号转化电路500将第四霍尔电压传感器405采集的第一栅极电压反馈电信号U_bf转换成适用于光纤信号传输的栅极电压反馈脉冲信号U_bf1，并通过第五光纤信号发射端子503发送给主控制单元2中的第三光纤信号接收端子203；所述第二压/频及频/压信号转化电路500将第二霍尔电压传感器78采集的第一隔离电压反馈电信号U_2f转换成适用于光纤信号传输的隔离电压反馈脉冲信号U_2f1，并通过第六光纤信号发射端子506发送给主控制单元2中的第四光纤信号接收端子206；

所述第二压/频及频/压信号转化电路500将第五光纤信号接收端子504接收到的第一光纤信号发射端子204发送的栅极电压给定脉冲信号U_bg1转换成第一栅极电压给定电信号U_bg，并发送给第四PID调节电路406；所述第二压/频及频/压信号转化电路500将第六光纤信号接收端子505接收到的第二光纤信号发射端子205发送的气体放电电压给定脉冲信号U_gg1转换成第一气体放电电压给定电信号U_gg，并发送给第三PID调节电路306。

所述间热式电子枪的电源装置还包括油箱，所述油箱内部充满绝缘油，将高压加速电源单元1的倍压整流电路103、第一升压变压器105以及隔离供电电路7的隔离变压器73、隔离整流电路74以及气体放电调节电路3以及栅极电压调节电路4以及信号转化电路5浸没在绝缘油中，以实现高压绝缘。

上述实施方式中的一种间热式电子枪的电源装置，主要针对150kV间热式电子枪，对于60kV及其他工作电压的间热式电子枪，只需要改变隔离变压器73的耐压等级，使其原副边绝缘强度达到工作电压的1.5倍以上即可，并改变倍压整流电路103的级数使其满足工作电压需求，其他电路可以保持不变，极大地简化了不同工作电压的间热式电子枪的电源装置的设计制造难度。

基于上述电源装置，本发明还公开了一种间热式电子枪的电源装置的使用方法，包括如下步骤：

S1、当工件9所在的真空室11、间热式电子枪12的真空度达到设定要求，以及水冷压力、压缩空气压力正常时，启动三相交流电给电源装置供电，隔离供电电路7正常工作，隔离整流电路74输出为500V直流电，第二压/频及频/压信号转化电路500可获得±15V供电；

主控制单元2将第二栅极电压给定电信号U_bg2设置到最大，通过第一压/频及频/压信号转化电路200、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路500后得到第一栅极电压给定电信号U_bg，再传输给第四PID调节电路406，使栅极电压调节电路4中各个部件正常工作，继而使与栅极电压调节电路4的负输出端连接的栅极电压达到-2000V；

同时，主控制单元2根据系统设置默认值，通过聚焦线圈驱动电路10使主聚焦线圈125通电；

S2、主控制单元2检测是否有来自上位机的高压给定电信号U_HVg，如果有高压给定电信号U_HVg，则主控制单元2根据高压给定电信号U_HVg、高压反馈电信号U_HV进行PID调节，将调节后的信号送入第一PWM调节电路104，控制第一逆变电路102中功率开关管的开通/关断，使经过第一整流电路101整流后获得的500V直流电，变换成逆变频率20kHz、幅值可调的交流电，再经过第一升压变压器105升压、倍压整流电路103整流后，获得与高压给定电信号U_HVg相一致的负高压，继而使通过限流电阻R0与倍压整流电路103的负输出端连接的钨针122获得负高压；

S3、主控制单元2检测是否有来自上位机的束流给定电信号U_Ibg，如果有束流给定电信号U_Ibg，则跳转到S5；否则，检测是否有来自上位机的气体放电电压初始电信号U_ggw，如果没有则跳转到S2；否则执行S4；

S4、主控制单元2开启气体流量控制器6，向间热式电子枪12内部通入工作气体，主控制单元2根据气体放电电压初始电信号U_ggw，将第二气体放电电压给定电信号U_gg2设为气体放电电压初始电信号U_ggw，将所述第二气体放电电压给定电信号U_gg2经过第一压/频及频/压信号转化电路200、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路500后得到新的第一气体放电电压给定电信号U_gg，再传输给第三PID调节电路306，使气体放电调节电路3中各个部件正常工作，继而使与气体放电调节电路3的负输出端连接的铝阴极121电压与第二气体放电电压给定电信号U_gg2对应的实际气体放电电压相同，并根据反馈到主控制单元2的第二气体放电电流反馈电信号I_gf2，对钨针122发射电子的热发射状态进行判断，跳转至S8；

S5、主控制单元2开启气体流量控制器6，向间热式电子枪12内部通入工作气体，同时主控制单元2给出系统默认的第二气体放电电压给定电信号U_gg2，通过第一压/频及频/压信号转化电路200、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路500后得到新的第一气体放电电压给定电信号U_gg，再传输给第三PID调节电路306，使气体放电调节电路3中各个部件正常工作，继而使与气体放电调节电路3的负输出端连接的铝阴极121电压与第二气体放电电压给定电信号U_gg2对应的实际气体放电电压相同；

在铝阴极121与钨针122之间存在数千伏负电压，可以使铝阴极121和钨针122之间的工作气体放电形成等离子体，等离子体中的正离子轰击铝阴极121表面，激发出二次电子向钨针122轰击，二次电子将动能转化成热能，使钨针122加热到可以发射电子的热发射状态。

钨针122发射电子的热发射状态可以通过第一气体放电电流反馈电信号I_gf的大小来判断，第一气体放电电流反馈电信号I_gf经过第二压/频及频/压信号转化电路500、光纤、第一压/频及频/压信号转化电路200后得到第二气体放电电流反馈电信号I_gf2输入到DSP主控与第一PID调节电路20，DSP主控与第一PID调节电路20的存储器中存储了一系列气体流量、气体放电电压、气体放电电流、束流大小对应关系的数据表，通过查表后，可获得气体流量给定值，主控制单元2重新设置气体流量控制器的气体流量大小，使第一气体放电电流反馈电信号I_gf达到设定状态。

S6、主控制单元2根据束流给定电信号U_Ibg、束流反馈电信号U_Ib进行PID调节，经过PID调节的信号通过第一压/频及频/压信号转化电路200、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路500后得到新的第一栅极电压给定电信号U_bg，再传输给第四PID调节电路406，使栅极电压调节电路4中各个部件正常工作，继而调节栅极电压，使束流采样电阻R3的第一端的束流反馈电信号U_Ib与束流给定电信号U_Ibg相一致；

S7、检测是否有来自上位机的停止信号，若没有检测到停止信号，则跳转至S2；否则跳转至S9；

S8、检测是否有来自上位机的气体放电电压初始电信号U_ggw，有，则跳转至S4，否则跳转至S2；

S9、主控制单元2将不考虑高压给定电信号U_HVg，直接将送入第一PWM调节电路104的信号设置为零，使高压加速电源单元1输出为零，并将第二气体放电电压给定电信号U_gg2和第二栅极电压给定电信号U_bg2设置为0，使气体放电调节电路3、栅极电压调节电路4输出为零，关闭气体流量控制器6、聚焦线圈驱动电路10等，然后关闭三相交流电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，包括高压加速电源单元(1)、主控制单元(2)、气体放电调节电路(3)、栅极电压调节电路(4)、信号转化电路(5)、隔离供电电路(7)和光纤组(8)，其中：

所述高压加速电源单元(1)的正输出端连接束流取样电阻R3的第一端，束流取样电阻R3的第二端接地，并与真空室(11)联接；

所述高压加速电源单元(1)的负输出端连接限流电阻R0的第一端，限流电阻R0的第二端连接钨针(122)，限流电阻R0的第二端连接分压电阻R4的第一端，分压电阻R4的第二端连接采样电阻R5的第一端，采样电阻R5的第二端连接所述高压加速电源单元(1)的正输出端，采样电阻R5的第一端和第二端均连接主控制单元(2)，所述主控制单元(2)还连接高压加速电源单元(1)和隔离供电电路(7)；

所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R1的第一端，分压电阻R1的第二端连接气体放电调节电路(3)的正输出端，所述气体放电调节电路(3)的负输出端连接铝阴极(121)，所述气体放电调节电路(3)连接信号转化电路(5)；

所述限流电阻R0的第二端连接分压电阻R2的第一端，分压电阻R2的第二端连接栅极电压调节电路(4)的正输出端，所述栅极电压调节电路(4)的负输出端连接栅极(123)，所述栅极电压调节电路(4)连接信号转化电路(5)；

所述限流电阻R0的第二端连接隔离供电电路(7)的负输出端，所述隔离供电电路(7)的第一输出端连接气体放电调节电路(3)、栅极电压调节电路(4)，所述隔离供电电路(7)的第二输出端连接信号转化电路(5)；

所述信号转化电路(5)通过光纤组(8)连接主控制单元(2)。

2.根据权利要求1所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述高压加速电源单元(1)包括第一整流电路(101)、第一逆变电路(102)、倍压整流电路(103)、第一PWM调节电路(104)和第一升压变压器(105)；其中：

所述第一整流电路(101)的输入端连接三相380V交流电，所述第一整流电路(101)的输出端连接第一逆变电路(102)的输入端，第一逆变电路(102)的输出端连接第一升压变压器(105)的输入端，第一升压变压器(105)的输出端连接倍压整流电路(103)的输入端，倍压整流电路(103)的正输出端作为高压加速电源单元(1)的正输出端，倍压整流电路(103)的负输出端作为高压加速电源单元(1)的负输出端，第一PWM调节电路(104)连接第一逆变电路(102)和主控制单元(2)。

3.根据权利要求2所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述主控制单元(2)包括DSP主控与第一PID调节电路(20)、第一压/频及频/压信号转化电路(200)、第一光纤信号接收端子(201)、第二光纤信号接收端子(202)、第三光纤信号接收端子(203)、第一光纤信号发射端子(204)、第二光纤信号发射端子(205)和第四光纤信号接收端子(206)；其中：

所述DSP主控与第一PID调节电路(20)连接第一压/频及频/压信号转化电路(200)，第一压/频及频/压信号转化电路(200)连接第一光纤信号接收端子(201)、第二光纤信号接收端子(202)、第三光纤信号接收端子(203)、第四光纤信号接收端子(206)的输出端以及第一光纤信号发射端子(204)、第二光纤信号发射端子(205)的输入端；

所述DSP主控与第一PID调节电路(20)连接高压加速电源单元(1)以及采样电阻R5的第一端和第二端，第一压/频及频/压信号转化电路(200)连接隔离供电电路(7)，第一光纤信号接收端子(201)、第二光纤信号接收端子(202)、第三光纤信号接收端子(203)、第四光纤信号接收端子(206)的输入端以及第一光纤信号发射端子(204)、第二光纤信号发射端子(205)的输出端分别通过光纤连接信号转化电路(5)。

4.根据权利要求3所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述隔离供电电路(7)包括第二整流电路(71)、第二逆变电路(72)、隔离变压器(73)、隔离整流电路(74)、第二PID调节电路(75)、第二PWM调节电路(76)、第二霍尔电流传感器(77)、和第二霍尔电压传感器(78)；所述隔离变压器(73)包括原边绕组(731)、第一副边绕组(732)和第二副边绕组(733)；其中：

所述第二整流电路(71)的输入端连接三相380V交流电，所述第二整流电路(71)的输出端连接第二逆变电路(72)的输入端，第二逆变电路(72)的输出端连接隔离变压器的原边绕组(731)，隔离变压器的第一副边绕组(732)连接隔离整流电路(74)的输入端，隔离整流电路(74)的输出端作为隔离供电电路(7)的第一输出端，隔离变压器的第二副边绕组(733)作为隔离供电电路(7)的第二输出端；第二霍尔电流传感器(77)采集第二逆变电路(72)的输出电流并将其发送到第二PID调节电路(75)；第二霍尔电压传感器(78)采集隔离整流电路(74)的输出电压即第一隔离电压反馈电信号并将其发送到信号转化电路(5)；第二PID调节电路(75)连接第二PWM调节电路(76)和主控制单元(2)，第二PWM调节电路(76)连接第二逆变电路(72)。

5.根据权利要求4所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述气体放电调节电路(3)包括第三逆变电路(301)、第三升压变压器(302)、第三整流电路(303)、第三霍尔电流传感器(304)、第三霍尔电压传感器(305)、第三PID调节电路(306)和第三PWM调节电路(307)；其中：

所述第三逆变电路(301)的输入端连接隔离供电电路(7)的第一输出端，第三逆变电路(301)的输出端连接第三升压变压器(302)的输入端，第三升压变压器(302)的输出端连接第三整流电路(303)的输入端，第三整流电路(303)的负输出端作为气体放电调节电路(3)的负输出端，第三整流电路(303)的正输出端作为气体放电调节电路(3)的正输出端，第三霍尔电流传感器(304)采集第三整流电路(303)的正输出端的电流即第一气体放电电流反馈电信号并将其输入到第三PID调节电路(306)和信号转化电路(5)，第三霍尔电压传感器(305)采集第三整流电路(303)的输出端电压即第一气体放电电压反馈电信号并将其输入第三PID调节电路(306)和信号转化电路(5)，第三PID调节电路(306)连接第三PWM调节电路(307)和信号转化电路(5)，第三PWM调节电路(307)连接第三逆变电路(301)。

6.根据权利要求5所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述栅极电压调节电路(4)包括第四逆变电路(401)、第四升压变压器(402)、第四整流电路(403)、第四霍尔电流传感器(404)、第四霍尔电压传感器(405)、第四PID调节电路(406)和第四PWM调节电路(407)；其中：

所述第四逆变电路(401)的输入端连接隔离供电电路(7)的第一输出端，第四逆变电路(401)的输出端连接第四升压变压器(402)的输入端，第四升压变压器(402)的输出端连接第四整流电路(403)的输入端，第四整流电路(403)的负输出端作为栅极电压调节电路(4)的负输出端，第四整流电路(403)的正输出端作为栅极电压调节电路(4)的正输出端，第四霍尔电流传感器(404)采集第四整流电路(403)的正输出端的电流并将其输入到第四PID调节电路(406)，第四霍尔电压传感器(405)采集第四整流电路(403)的输出端电压即第一栅极电压反馈电信号并将其输入第四PID调节电路(406)和信号转化电路(5)，第四PID调节电路(406)连接第四PWM调节电路(407)和信号转化电路(5)，第四PWM调节电路(407)连接第四逆变电路(401)。

7.根据权利要求6所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述信号转化电路(5)包括第二压/频及频/压信号转化电路(500)、第三光纤信号发射端子(501)、第四光纤信号发射端子(502)、第五光纤信号发射端子(503)、第五光纤信号接收端子(504)、第六光纤信号接收端子(505)、第六光纤信号发射端子(506)、供电整流电路(507)和DC/DC变换电路(508)；其中：

所述供电整流电路(507)的输入端连接隔离供电电路(7)的第二输出端，供电整流电路(507)的输出端连接DC/DC变换电路(508)的输入端，DC/DC变换电路(508)的输出端连接第二压/频及频/压信号转化电路(500)，第二压/频及频/压信号转化电路(500)连接第三光纤信号发射端子(501)、第四光纤信号发射端子(502)、第五光纤信号发射端子(503)、第六光纤信号发射端子(506)的输入端以及第五光纤信号接收端子(504)、第六光纤信号接收端子(505)的输出端；

所述供电整流电路(507)的负输出端、DC/DC变换电路(508)和第二压/频及频/压信号转化电路(500)的参考地均连接到限流电阻R0的第二端，所述第二压/频及频/压信号转化电路(500)还连接隔离供电电路(7)以及气体放电调节电路(3)以及栅极电压调节电路(4)，第三光纤信号发射端子(501)、第四光纤信号发射端子(502)、第五光纤信号发射端子(503)、第六光纤信号发射端子(506)的输出端以及第五光纤信号接收端子(504)、第六光纤信号接收端子(505)的输入端分别通过光纤连接主控制单元(2)。

8.根据权利要求7所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，还包括油箱，所述油箱内部充满绝缘油，将高压加速电源单元(1)的倍压整流电路(103)、第一升压变压器(105)以及隔离供电电路(7)的隔离变压器(73)、隔离整流电路(74)以及气体放电调节电路(3)以及栅极电压调节电路(4)以及信号转化电路(5)浸没在绝缘油中。

9.根据权利要求1所述的一种间热式电子枪的电源装置，其特征在于，所述主控制单元(2)还连接气体流量控制器(6)和聚焦线圈驱动电路(10)。

10.一种间热式电子枪的电源装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、当工件(9)所在的真空室(11)、间热式电子枪(12)的真空度达到设定要求，以及水冷压力、压缩空气压力达到设定要求时，启动三相交流电给电源装置供电，隔离供电电路(7)正常工作，隔离整流电路(74)输出为500V直流电，第二压/频及频/压信号转化电路(500)获得±15V供电；

主控制单元(2)将第二栅极电压给定电信号U_bg2设置到最大，通过第一压/频及频/压信号转化电路(200)、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路(500)后得到第一栅极电压给定电信号U_bg，再传输给第四PID调节电路(406)，使栅极电压调节电路(4)中各个部件正常工作，继而使与栅极电压调节电路(4)的负输出端连接的栅极电压达到-2000V；

同时，主控制单元(2)根据系统设置默认值，通过聚焦线圈驱动电路(10)使主聚焦线圈(125)通电；

S2、主控制单元(2)检测是否有来自上位机的高压给定电信号U_HVg，如果有高压给定电信号U_HVg，则主控制单元(2)根据高压给定电信号U_HVg、采样电阻R5的第一端的高压反馈电信号U_HV进行PID调节，将调节后的信号送入第一PWM调节电路(104)，控制第一逆变电路(102)中功率开关管的开通/关断，使经过第一整流电路(101)整流后获得的500V直流电，变换成逆变频率20kHz、幅值可调的交流电，再经过第一升压变压器(105)升压、倍压整流电路(103)整流后，获得与高压给定电信号U_HVg相一致的负高压，继而使通过限流电阻R0与倍压整流电路(103)的负输出端连接的钨针(122)获得负高压；

S3、主控制单元(2)检测是否有来自上位机的束流给定电信号U_Ibg，如果有束流给定电信号U_Ibg，则跳转到S5；否则，检测是否有来自上位机的气体放电电压初始电信号U_ggw，如果没有则跳转到S2；否则执行S4；

S4、主控制单元(2)开启气体流量控制器(6)，向间热式电子枪(12)内部通入工作气体，主控制单元(2)根据气体放电电压初始电信号U_ggw，将第二气体放电电压给定电信号U_gg2设为气体放电电压初始电信号U_ggw，将所述第二气体放电电压给定电信号U_gg2经过第一压/频及频/压信号转化电路(200)、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路(500)后得到新的第一气体放电电压给定电信号U_gg，再传输给第三PID调节电路(306)，使气体放电调节电路(3)中各个部件正常工作，继而使与气体放电调节电路(3)的负输出端连接的铝阴极(121)电压与第二气体放电电压给定电信号U_gg2对应的实际气体放电电压相同，并根据反馈到主控制单元(2)的第二气体放电电流反馈电信号I_gf2，对钨针(122)发射电子的热发射状态进行判断，跳转至S8；

S5、主控制单元(2)开启气体流量控制器(6)，向间热式电子枪(12)内部通入工作气体，同时主控制单元(2)给出系统默认的第二气体放电电压给定电信号U_gg2，通过第一压/频及频/压信号转化电路(200)、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路(500)后得到新的第一气体放电电压给定电信号U_gg，再传输给第三PID调节电路(306)，使气体放电调节电路(3)中各个部件正常工作，继而使与气体放电调节电路(3)的负输出端连接的铝阴极(121)电压与第二气体放电电压给定电信号U_gg2对应的实际气体放电电压相同；

在铝阴极(121)与钨针(122)之间存在数千伏负电压，使铝阴极(121)和钨针(122)之间的工作气体放电形成等离子体，等离子体中的正离子轰击铝阴极(121)表面，激发出二次电子向钨针(122)轰击，二次电子将动能转化成热能，使钨针(122)加热到发射电子的热发射状态；

钨针(122)发射电子的热发射状态通过第一气体放电电流反馈电信号I_gf的大小来判断，第一气体放电电流反馈电信号I_gf经过第二压/频及频/压信号转化电路(500)、光纤、第一压/频及频/压信号转化电路(200)后得到第二气体放电电流反馈电信号I_gf2输入到DSP主控与第一PID调节电路(20)，DSP主控与第一PID调节电路(20)的存储器中存储了一系列气体流量、气体放电电压、气体放电电流、束流大小对应关系的数据表，通过查表后，获得气体流量给定值，主控制单元(2)重新设置气体流量控制器(6)的气体流量大小，使第一气体放电电流反馈电信号I_gf达到设定状态；

S6、主控制单元(2)根据束流给定电信号U_Ibg、束流反馈电信号U_Ib进行PID调节，经过PID调节的信号通过第一压/频及频/压信号转化电路(200)、光纤、第二压/频及频/压信号转化电路(500)后得到新的第一栅极电压给定电信号U_bg，再传输给第四PID调节电路(406)，使栅极电压调节电路(4)中各个部件正常工作，继而调节栅极电压，使束流采样电阻R3的第一端的束流反馈电信号U_Ib与束流给定电信号U_Ibg相一致；

S7、检测是否有来自上位机的停止信号，若没有检测到停止信号，则跳转至S2；否则，检测到停止信号，则跳转至S9；

S8、检测是否有来自上位机的气体放电电压初始电信号U_ggw，有，则跳转至S4，否则跳转至S2；

S9、主控制单元(2)将不考虑高压给定电信号U_HVg，直接将送入第一PWM调节电路(104)的信号设置为零，使高压加速电源单元(1)输出为零，并将第二气体放电电压给定电信号U_gg2和第二栅极电压给定电信号U_bg2设置为0，使气体放电调节电路(3)、栅极电压调节电路(4)输出为零，关闭气体流量控制器(6)、聚焦线圈驱动电路(10)，然后关闭三相交流电。

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