（机械电子工程专业论文）双栅极空气计数器电子控制与接口电路设计研究.pdf

西北 _ 业大学硕士学位论文 摘要 摘要 金属构件常常因受到动载荷作用引 起疲劳损伤，而疲劳损伤累积的结果 往往导致裂纹的产生。针对已 经形成裂纹的传统无损检测方法很多，但这些 方 . 法大多对正在形成中的裂纹很难实现在线实时监测。目 前大量研究表明， 金属材料在裂纹形成过程中，表面会发射大量的低能电子。 本文讨论的智能型低能电子传感器系统目 的在于准确地检测金属材料发 射的低能电子数，并依此研究分析金属材料裂纹的形成和产生。因此，从事 该项研究工作对金属材料的无损检测具有重要科学意义和应用价值。 本文的研究工作主要有以下少 l 个方面: 1 .简要介绍了低能电子的发射机理、国内外研究概况和趋势，以及低能 电子在无损检测领域中的应用。 2 . 讨论了智能型低能电子传感器系统工作原理， 双栅极空气计数器对电 子控制电路的具体要求，电子控制电路中各部分电路的设计。 3 .提出了计数接口电路的硬件和软件设计方法，并进行了电 路调试。 实验结果表明，电子控制电路中前置放大、主放大、碎熄电路和抑制电 路符合设计要求，计数器接日电路工作简单，工作可靠。本文所从事的工作 为低能电子传感器系统的智能型化奠定了良 好的基础。 本文得到了国家自 然科学基金 ( 5 0 2 7 5 1 2 5 ) 和航空科学基金 ( 0 4 1 5 3 0 6 8 ) 课题的资助。 关键词:低能电子;双栅极空气计数器: 疲劳损伤;裂纹检测;接口电路 西北 业人学顿十学位论文 abs tract abs tract t h e f a t i g u e d a m a g e o f t h e m e t a l m a t e r i a l o ft e n h a p p e n s u n d e r t h e a c t i o n o f t h e d y n a m i c l o a d . t h e a c c u m u l a t i o n o f f a t i g u e d a m a g e o f t h e m e t a l m a t e r i a l l e a d s t o t h e r e s u l t o f s u r f a c e f a t i g u e c r a c k s . t h e r e a r e a l o t o f t r a d i t i o n a l m e t h o d s o f n d t ( n o n - d e s t r u c t i v e t e s t i n g ) t o t h e f o r m e d c r a c k . b u t t h e s e m e t h o d s a r e m o s t l y v e ry d i ffic u l t t o r e a l i z e t h e o n - l i n e r e a l - t i m e s u p e r v i s i n g t h e c r a c k b e i n g f o r m e d . a t p r e s e n t a l a r g e n u mb e r o f r e s e a r c h e s i n d i c a t e t h a t t h e s u r f a c e o f me t a l ma t e r i a l wh i l e t h e c r a c k f o r m s , c a n b e e m i t t e d m a s s i v e l o w e n e r g y e l e c t r o n s . t h e a i m i s t o a c c u r a t e l y e x a m i n e t h e n u m b e r o f l o w e n e r g y e l e c t r o n s l a u n c h e d fr o m m e t a l m a t e r i a l s u r f a c e t h a t t h e i n t e l l i g e n t l o w e n e r g y e l e c t r o n s e n s o r s y s t e m h a s b e e n d i s c u s s e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n . a n d o n t h e b a s i s o f a b o v e w o r k , t h e f o r m a t i o n a n d t h e p r o d u c t i o n o f m e t a l m a t e r i a l c r a c k c a n b e s t u d i e d a n d a n a l y z e d . t h e r e f o r e , i t h a s t h e v i t a l s c i e n t i f i c s i g n i f i c a n c e a n d t h e a p p l i c a t i o n v a l u e t o t h e m e t a l m a t e r i a l n d t t h a t a u t h o r h a s b e e n e n g a g e d i n t h i s r e s e a r c h w o r k . t h e k e y s t u d y c o n t e n t s i n t h e d i s s e r t a t i o n a r e a s f o l l o w s : 1 . t h e l o w e n e r g y e l e c t r o n l a u n c h m e c h a n i s m, t h e d o m e s t i c a n d f o r e i g n r e s e a r c h s u r v e y a n d t h e t e n d e n c y , a s w e l l a s t h e a p p l i c a t i o n o f t h e l o w e n e r g y e l e c t r o n i n t h e fi e ld o f n d t w e r e b r i e fl y i n t r o d u c e d . 2 . t h e i n t e l l i g e n t l o w e n e r g y e l e c t r o n s e n s o r s y s t e m p r i n c i p l e o f w o r k , t h e s p e c i f i c r e q u e s t t o t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l c i r c u it o f d o u b l e 幼d a i r c o u n t e r , e a c h p a r t o f c i r c u i t s d e s i g n i n e l e c t r o n i c c o n t r o l c i r c u i t h a v e b e e n d i s c u s s e d . i i i 西北 工 _ 业大学硕十学位论文 abs tract 3 . t h e h a r d w a r e a n d s o ft w a r e d e s i g n m e t h o d s o f t h e c o u n t e r i n t e r f a c e c ir c u it w e r e p u t f o r w a r d . a n d t h e c i r c u i t d e b u g g i n g h a s b e e n c a r r i e d o n . t h e e x p e r i m e n t a l r e s u lt in d i c a t e s t h a t t h e p r e - a m p l i f i c a t i o n c i r c u i t , t h e m a i n a m p l i f i c a t i o n c i r c u i t , t h e q u e n c h i n g c i r c u it a n d t h e s u p p r e s s i o n c i r c u i t i n t h e e l e c t r o n i c c o n t r o l c i r c u i t c o n f o r m t o t h e d e s ig n r e q u i r e m e n t . t h e i n t e r f a c e c i r c u i t w o r k o f t h e c o u n t e r i s s i m p l e a n d r e l ia b l e . t h e w o r k t h a t t h e d i s s e r t a t i o n e n g a g e d i n h a s l a i d t h e g o o d f o u n d a t i o n f o r t h e i n t e l l i g e n c e o f l o w e n e r g y e l e c t r o n s e n s o r s y s t e m . t h e d i s s e r t a t i o n h a s r e c e i v e d t h e s u b s i d y o f t h e n a t i o n a l n a t u r a l s c i e n c e f o u n d o f c h i n a ( 5 0 2 7 5 1 2 5 ) a n d t h e a v i a t i o n s c i e n c e f o u n d o f c h i n a ( 0 4 1 5 3 0 6 8 ) k e y w o r d s :l o w f a t i g u e d a m a g e ; e n e r g y e l e c t r o n :d o u b l e grid a i r c o u n t e r ; c r a c k d e t e c t i o n ;i n t e r f a c e c i r c u i t tv t h 北 业人学硕十学位论文第 1 章绪沦 第 1 章绪论 低能电子发射及其应用是受到国内外科技界广泛关注的一个新兴领域。 它 在物理电子学、固体理论、材料、 核辐射探测及无损检测等学科都有着极其广 泛的应用前景。 本章首先介绍低能电子的概念及其在国内外的研究现状， 然后 阐述低能电子在无损检测中的应用情况， 最后介绍本文的主要研究工作及其意 义。 1 . 1 低能电子国内外研究现状 早在 1 9 5 7 年，德国物理学家j . k r a m e r 便提出了外逸电子 ( e x o e l e c t r o n ) 是固体从高能态跃迁到低能态的过程中所发射的电子1 1 - 3 1 。 外逸电 子既不是光 电子，也不是热电子，而是一种低能电子从固体表面延迟发射的现象，发射性 能反映了固体表面木身的特征。 由于外逸电子能量很低， 即其最低时约为0 . 1 - 0 . 7 e v，最高约为2 -7 e v ，所以外逸电子仍然被称为低能电子。在1 9 7 6 年的 发射及应用国际会议上， b r a u n l i c h 将低能电子发射定义为由于外部扰动而离开 热平 衡态的非 稳态弛豫4 1 ， 这一概念概括了 低能电 子发射的 绝大多 数情况。 k r a m e r 的研究成果和理论发表后， 低能电子的发射和应用逐渐并越来越受 到人们的关注和重视。 低能电子发射的情况非常普遍。b r a u n l i c h , l i n k e 和o h s h i m a 等人的研究 结果表明5 - 7 1 ，金属不但在切削、 研磨、 粉碎、塑性变形等机械加一1 . 过程中会 发射低能电子，而且当金属发生凝固、氧化、催化等物理化学变化时，也会发 射低能电子。 尤其是在新鲜金属表面出现微裂纹处，发射的低能电子会有明显 增加。 但是由于低能电子发射的原因比较复杂， 而且发射对环境条件非常敏感， t h 北 业人学硕十学位论文第 1 章绪沦 第 1 章绪论 低能电子发射及其应用是受到国内外科技界广泛关注的一个新兴领域。 它 在物理电子学、固体理论、材料、 核辐射探测及无损检测等学科都有着极其广 泛的应用前景。 本章首先介绍低能电子的概念及其在国内外的研究现状， 然后 阐述低能电子在无损检测中的应用情况， 最后介绍本文的主要研究工作及其意 义。 1 . 1 低能电子国内外研究现状 早在 1 9 5 7 年，德国物理学家j . k r a m e r 便提出了外逸电子 ( e x o e l e c t r o n ) 是固体从高能态跃迁到低能态的过程中所发射的电子1 1 - 3 1 。 外逸电 子既不是光 电子，也不是热电子，而是一种低能电子从固体表面延迟发射的现象，发射性 能反映了固体表面木身的特征。 由于外逸电子能量很低， 即其最低时约为0 . 1 - 0 . 7 e v，最高约为2 -7 e v ，所以外逸电子仍然被称为低能电子。在1 9 7 6 年的 发射及应用国际会议上， b r a u n l i c h 将低能电子发射定义为由于外部扰动而离开 热平 衡态的非 稳态弛豫4 1 ， 这一概念概括了 低能电 子发射的 绝大多 数情况。 k r a m e r 的研究成果和理论发表后， 低能电子的发射和应用逐渐并越来越受 到人们的关注和重视。 低能电子发射的情况非常普遍。b r a u n l i c h , l i n k e 和o h s h i m a 等人的研究 结果表明5 - 7 1 ，金属不但在切削、 研磨、 粉碎、塑性变形等机械加一1 . 过程中会 发射低能电子，而且当金属发生凝固、氧化、催化等物理化学变化时，也会发 射低能电子。 尤其是在新鲜金属表面出现微裂纹处，发射的低能电子会有明显 增加。 但是由于低能电子发射的原因比较复杂， 而且发射对环境条件非常敏感， 西北 _ 业大学硕十学位论文第 1 章绪论 所以目 前对低能电子的发射机理还不十分清楚， 科学家一直在努力用各种理论 来解释 低能电 子的发射18 - 13 1 。 与 此同 时， 低能电 子发 射及其应用是受到国内 外 科技界广泛关注的一个新兴领域，它涉及物理、化学、金属学、微电子学等， 并且 在物理电子学、固体理y、 材料、 核辐射探测及无损检测等方面都有着极 其广泛的应用前景。 国内外从事低能电子的发射和应用研究主要集中在以下几 个方面 1 4 1 1 .剂量测量研究 人们发现，某些材料 ( 如c a s 0 4 , l i f和b e o ) 在核辐射或其他高能辐射 作用下， 许多电子由 价带跃迁到导带， 落入电子陷阱。材料经过特定的温度退 火后， 这些电子就会发射。 如果电子陷阱数目 足够多，则低能电子的强度就与 试样所吸收的辐射剂量成正比。 用此方法可制成超灵敏度的个人剂量计，可供 接触辐射的技术人员作剂量监测用。 2 .表面研究 低能电子的发射和应用可成为金属表面检测的一种有效工具。近年来，日 本、 美国、 俄罗斯等国都在研究激光束激励的低能电 子发射， 其原理如图 1 . 1 所示。 企图研究出一 种可以取代光学显微镜等研究金属表面裂纹的无损检测的 方法。 激 光 束 图 1 . 1 激光束激励电子发射原理图 西北 i _ 业人学硕十学位论文 第 1 章绪论 3 .疲劳损伤研究 经过w . j . b a x t e : 和w . l u s c h 等人研究认为， 疲劳过程中的塑性变形同 表 面氧化层的位错攀移及增殖有关， 后者会发射出低能电子，用低能电子发射可 以研究疲劳过程中的塑性变形。当在金属表面出现极小裂纹时，可以根据捕获 电子数目的多少，预测预报裂纹的形成和生长，以达到探测疲劳损伤的目的， 进而达到对金属材料的疲劳损伤进行无损检测。 4 .计数器研究 由于所介绍的低能电子能量较低，目前计数器的研究遇到了较大的困难。 y . m o m o s 。等人研究出了用于测量铝试件低能电子发射的 g c ( g e i g e r c o u n t e r ) . s h i g e y u k i , m o r i 等人研究出了 用g m c ( g e i g e r - m u l l e r c o u n t e r ) 测 量金属试 件低能电子。 除此之外， 还有人研究试用o c ( o p e n c o u n t e r ) 记录低 能电子的发射。这些计数器的研究与应用，目 前还处于试验阶段，尚未取得突 破性的进展。 其中计数器是测量发射性剂量的气体放电器件，它是计量放射线的有力工 具。近年来，人们正致力于用计数器检测物体表面所发射的低能电子。 1 . 2 低能电子在无损检测中的应用研究 如上所述，金属发生研磨、机械变形和疲劳等现象时，低能电子发射会发 生变化。因而，通过检测金属材料的低能电子发射的变化情况进行无损检测， 是一项开拓性的研究工作。目 前，许多研究者都致力于应用低能电子发射理论 来检测金属表面疲劳损伤的起始点以及正在发展中的微裂纹， 并依此推断金属 材料的残余寿命。 金属表面疲劳损伤在工业中出现的故障频率很高。 疲劳源诱发的疲劳断裂 全过程的总寿命由 微裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分组成【 ” 一 7 , 。 比如， 一 个金属棒被不断地拉伸、压缩，虽然应力小于金属屈服强度，但当交变应力继 西北 i _ 业人学硕十学位论文 第 1 章绪论 3 .疲劳损伤研究 经过w . j . b a x t e : 和w . l u s c h 等人研究认为， 疲劳过程中的塑性变形同 表 面氧化层的位错攀移及增殖有关， 后者会发射出低能电子，用低能电子发射可 以研究疲劳过程中的塑性变形。当在金属表面出现极小裂纹时，可以根据捕获 电子数目的多少，预测预报裂纹的形成和生长，以达到探测疲劳损伤的目的， 进而达到对金属材料的疲劳损伤进行无损检测。 4 .计数器研究 由于所介绍的低能电子能量较低，目前计数器的研究遇到了较大的困难。 y . m o m o s 。等人研究出了用于测量铝试件低能电子发射的 g c ( g e i g e r c o u n t e r ) . s h i g e y u k i , m o r i 等人研究出了 用g m c ( g e i g e r - m u l l e r c o u n t e r ) 测 量金属试 件低能电子。 除此之外， 还有人研究试用o c ( o p e n c o u n t e r ) 记录低 能电子的发射。这些计数器的研究与应用，目 前还处于试验阶段，尚未取得突 破性的进展。 其中计数器是测量发射性剂量的气体放电器件，它是计量放射线的有力工 具。近年来，人们正致力于用计数器检测物体表面所发射的低能电子。 1 . 2 低能电子在无损检测中的应用研究 如上所述，金属发生研磨、机械变形和疲劳等现象时，低能电子发射会发 生变化。因而，通过检测金属材料的低能电子发射的变化情况进行无损检测， 是一项开拓性的研究工作。目 前，许多研究者都致力于应用低能电子发射理论 来检测金属表面疲劳损伤的起始点以及正在发展中的微裂纹， 并依此推断金属 材料的残余寿命。 金属表面疲劳损伤在工业中出现的故障频率很高。 疲劳源诱发的疲劳断裂 全过程的总寿命由 微裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命两部分组成【 ” 一 7 , 。 比如， 一 个金属棒被不断地拉伸、压缩，虽然应力小于金属屈服强度，但当交变应力继 西北 i av . 大学硕士学位论文第 l 章绪论 续下去， 最终会疲劳而发生断裂。 对于疲劳和断裂过程之间的关系，工程上常 用如图 1 .2 所示的示意图来直观地表达。图中所示各点的含义如下: ( 1 ) a 对应疲劳起裂点; ( 2 ) a l 对应疲劳寿命终结点的宏观可检测裂纹尺寸 ( 3 ) a : 对应检测仪器手段所能测定的损伤尺寸; ( 4 ) a 。 对应断裂设计所规定的初始裂纹尺寸 。 由图1 .2 可见，由疲劳源引发的疲劳断裂全过程的总寿命由裂纹形成寿命 和裂纹扩展寿命两部分组成。 运用传统的无损检测方法， 只能检测出已有的裂 纹 ( a 2 以后) ， 无法预测出疲劳的起裂点及正在发展的裂纹 ( a 2 以前) 。 而运用 低能电子发射理论，可以方便地解决这一间题。 疲 片起 始点 城 /展 l17 r 裂起 始 点 !卜/价 j 4 l 伤形成;x 于 0 伤书 / ，州气攀草省娜哪 川疲i j ii i 1 a ir ip h 卜 im 环 数 i,;变卜 图 飞 2 损伤尺寸和载荷循环的关系 1 9 7 5 年前后， y . s a i t o . t . s h i n a d a等人研究了光激低能电子发射与金属疲 劳断 裂之间的关系 1 8 ,1 9 。 他们用铝试件做疲劳断裂实验， 测量试件的弯曲力 矩 幅值、 光激低能电子发射强度与应力循环次数的关系， 实验结果如图1 . 3 所示。 结果表明，随着应力循环次数的增加， 光激低能电子的发射强度随之增加， 并 达到最大值，随后发射强度随循环次数增加而衰减， 直到试件断裂。 发射强度 的最大值出现在试件断裂循环次数的 1 0 0/ . -2 0 %处， 并且此时开始出现初始裂 纹t2 0 1 西，! 匕! 一 业大学硕士学位论文 第 1 章绪论 三ul2谓今+f、，勺 叫馨共退那黔洲纂 ，1 名jo 10 0 ( 1 ) ( h ) /一一 . . 卜 入 门州n钊 悦 之86钊 创墓民翻省 、j 代c一 宝招认荃刘一夺 0 2 3 6 8 粕1不 数声 ( 3 x 1 0 ) 图 1 . 3 铝试件低能电子发射与疲劳周期的关系 对于这种现象，日本学者m. u d a 等这样解释:金属中的自由电子要逸出 金属表面，必须克服金属表面势垒，即逸出功。 对于光洁的铝表面， 逸出功约 为4 .2 e v ，由 于空气中的污染物 ( h 2 o等) 吸附在铝表面，降低了 铝的逸出功 ( 约3 e v ) ， 金属中的自由电子更容易逸出金属表面。因此， 在裂纹形成初期， 新鲜的铝表面吸附了 污染物， 低能电子发射密度增强。 随着时间的推移， 新鲜 表面重新被氧化，逸出功增大，发射强度减低。美国t a r t u大学静电实验室在 研究各种金属低能电 子发射活性的实验中也发现了 类似规律2 1 1 ， 他们也认为， 试样表面氧化物破裂并吸附了污染物， 使金属逸出功降低，发射强度增加。随 着表面重新被覆盖氧化层，发射活性也逐渐降低。 为了 研究金属在空气中出 现裂纹时低能电 子发射的 情况， h o e n i n g 等人研 制成了如图1 .4 所示的探头，并用此探头在空气中对有疲劳现象的金属表面进 行扫描，结果如图1 . 5 和图1 .6 所示2 2 ,2 3 1 。山图可以 看出， 低能电子发射强度 随着疲劳的发展而逐渐增大，当产生裂纹时则急剧增加， 随着裂纹的扩展而进 一 步增大。 山此可见， 低能电子发射强度与金属疲劳损伤的发展存在对应关系， 利用低能电子发射进行无损检测是可行的。 如果能够将这项研究真正应用到实际工程中，对关键金属构建，如机翼、 车轴等进行检测， 随时了解构件的疲劳程度，裂纹的发展状况，甚至对构件的 剩余寿命做出预测的话， 就可以及时更换受损的构件， 避免许多重大事故的发 生。这也正是本课题研究的目的及意义所在。 西北 i _ 业大学硕十学位论文第 1 章绪论 记% h器 感/,t i 加热线 圈 紫外线火 申 6 . 5 mm 前 in ia大器 9 0v 试于 聚f l 期创 图 1 .4 低能电子发射测定器 热轧钢板 务行刊为0 3 m m ( 5 表刁各i 7 私 1 ) y ? 性变0 ; -i i s 产 m r 裂 州.六 35: s 凡、.三.下 脚曰 曰曰 i m m 裂纹; 一 为 i m m 舌灯 门钊0口汽 01、架兴火甘理经 0 26 8 1 0 1 2 1 4 时 f r il mi n 图 1 . 5 疲劳扩展和低能电子发射的关系 了才n 1 6 4 7 次 fo i 1 f ; 了。一多刹、招理袋 20 40 图 1 . 6 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 if , 介 11 , mi n 裂纹扩展和低能电子发射的关系 西北 f 业大学硕十 学位沦文第 1 章绪论 1 .3 本文研究意义和主要工作 1 .从事木文研究的意义 随着科学技术的发展，大型金属构件在航空、 航天、 制造、石油和铁路等 方面广泛应用。 这些大型的金属构件在使用过程中经常受到多次交变应力的作 用。当金属构件受到低于屈服点应力的作用时， 经过多次增加或反复作用， 就 会出现疲劳损伤。 疲劳损伤的累积就容易导致疲劳微裂纹的产生，致使大型金 属构件的固有特性发生改变。 从而在外力的作用下，加速了微裂纹的扩展。当 微裂纹发展到一定临界尺寸时， 就会发生突然断裂。 微裂纹的失稳扩张， 将导 致金属构件的失效或损坏， 甚至可能造成巨大的生命和经济损失。 根据有关资 料 ，统计分析， 所有金属构件损伤中断裂的比例约占8 0 ， 因疲劳裂纹而造成空 难事故的比例为整个空难的5 0 %以上2 4 ,2 5 为了有效地保证飞机、船舶、 机车等关键金属构件在各种环境下安全可靠 地工作，应做到一旦有裂纹产生，即可有效地做出判断，准确地预测预报， 保 证金属构件安全、可靠地服役。 目前，现有的常规性无损检测技术和方法 ( 如射线、磁粉、涡流、超声波 等) 对金属材料已形成疲劳裂纹的检测是行之有效的， 但这些技术和方法都无 法对裂纹的启裂和发展全过程进行实时在线预测预报。 如果能够观察金属材料 疲劳过程发射的低能电子及其数目的多少， 那么就可以据此判断金属材料疲劳 裂纹的形成和生长 过程。 这种全新的无损检测系统的研制成功， 不仅可以用于 飞机机翼、机身、大型空间材料疲劳损伤的实时在线检测，也可用于船舶、火 车钢轨、复合材料裂纹的监测口因此， 从事该领域的研究不仅有着重要的理论 意义，而月 . 有着巨大的实用经济价值。 2 .本文的主要研究工作 本文所研究的项目是国家自然科学基金 ( 5 0 2 7 5 1 2 5 )和航空科学基余 ( 0 4 1 5 3 0 6 8 )资助项目的部分内容，在研究过程中得到了土述两种科学基金的 资助。本文卞要研究了以下内容: 西北 厂 业人学硕十学位论文第 i 章绪论 ( 功 双栅极空气计数器系统研究; ( 2 )双栅极空气计数器电子控制电路的设计; ( 3 )计数器接口电路的设计; ( 4 )电子控制电 路的测试; ( 5 ) 接口电路的测试。 在从事低能电子发射与无损检测的 研究中， 首先要解决的问 题是如何准确 地检测出金属表面所发射的低能电子数。日前，人们一般用 g - m 计数器来研 究低能电子发射现象。 但在实际中发现， g - m计数器在放电期间， 也会产生大 量的正离子， 容易发生正离子轰击试样现象，导致过多地估计低能电子数。为 此， 有人建议向计数器内施加有机气体或卤素， 以 吸收放电时所辐射的紫外线， 达到很快熄灭放电的目的。 也有人建议在放电瞬间， 瞬时地降低阳极端电压来 熄灭放电。 采取上述方法，虽可减少正离子数量，但仍有一部分正离子轰击发 射试样， 使计数器不能可靠地工作。另外， 上述测量都是在真空或某种特殊气 体中进行，而低能电子发射现象一般都发生在我们周围环境。鉴于上述原因， 本文在参考大量计数器的基础上， 对其进行了优化设计， 设计出了可在空气或 现场检测低能电子的双栅极空气计数器的电子控制电路部分， 较好地解决了计 数器中过多的正离子轰击试样问题。 由于低能电子发射与诸多因素 ( 如掺杂性、氧化层、空气压强、温度、 湿 度等) 有关， 对所测得的数据进行处理是相当困难的，因而有必要用计算机来 进行有关数据处理。 本文在完成电子控制电路部分之后，又很好地解决了低能 电子检测装置与计算机的有关接口问题，并编制了相应的中断检测程序，为低 能电子检测装置的智能化奠定了基础。 总之，本论文主要成功地设计出双栅极空气计数器的电子控制电路部分， 并很好地解决了计数器与计算机接口的有关问题， 为以后进一步研究低能电子 发射理论以及应用低能电子发射理论来预测预报微裂纹的形成和生长打下了 基础。 西北 l . 业大学硕十学位论文 第 1 章绪论 1 . 4 本章小结 本章首先介绍了低能电子的概念及其在国内外的研究现状， 不仅明确了低 能电子是固体从高能态向 低能态跃迁的过程中所发射的电子， 而且阐明了 低能 电子发射及其应用是受到国内外科技界广泛关注的一个新兴领域。 然后， 研究 了低能电子在无损检测中的应用情况， 讨论了金属材料疲劳微裂纹与低能电子 发射的关系。最后，概括介绍了本文的主要研究工作及其重要意义。 西北 眨 业人学硕士学位论文第2章低能电子传感器系统研究 第2 章低能电子传感器系统研究 应用低能电子发射进行无损检测是一 项开拓性的工作。 低能电子发射在无 损检测中的应用， 首先在于其对低能电子发射数目 能够进行精确计数。 双栅极 空气计数器是以g - m计数器为基础设计而成的， 它利用了g - m计数器的灵敏 度高( 只要有电 子进入计数器内就可以引 起放电， 进行记 录) 、脉冲幅度大、稳 定性高( 不受外界电 磁场的干扰， 对电 源的稳定性要求也不算太高) 、 使用方便、 制作简单等优点， 同时又增加了两个栅极来控制放电产生的大量离子轰击计数 器而产生二次电子，以免引起计数误差。 2 . 1 低能电子传感器系统结构 低能电子传感器的系统结构如图2 . 1所示。 它由计数器、 控制电源、 放大 电路 ( 前置放大和主放大) 、鉴幅电路、碎熄电路、抑制电路、单稳电路、计 数电路等组成。 图 2 . 1 低能电子 传感器系统结构 西北 眨 业人学硕士学位论文第2章低能电子传感器系统研究 第2 章低能电子传感器系统研究 应用低能电子发射进行无损检测是一 项开拓性的工作。 低能电子发射在无 损检测中的应用， 首先在于其对低能电子发射数目 能够进行精确计数。 双栅极 空气计数器是以g - m计数器为基础设计而成的， 它利用了g - m计数器的灵敏 度高( 只要有电 子进入计数器内就可以引 起放电， 进行记 录) 、脉冲幅度大、稳 定性高( 不受外界电 磁场的干扰， 对电 源的稳定性要求也不算太高) 、 使用方便、 制作简单等优点， 同时又增加了两个栅极来控制放电产生的大量离子轰击计数 器而产生二次电子，以免引起计数误差。 2 . 1 低能电子传感器系统结构 低能电子传感器的系统结构如图2 . 1所示。 它由计数器、 控制电源、 放大 电路 ( 前置放大和主放大) 、鉴幅电路、碎熄电路、抑制电路、单稳电路、计 数电路等组成。 图 2 . 1 低能电子 传感器系统结构 西北 卜 业大学硕十学位论文第2 章 低能电子传感器系统研究 1 .计数器 计数器是计量放射线剂量的气体放电 器件。1 9 0 8 年， r u t h e r f o r d 和g e i g e r 发明了计数器，后来由mu l l e r 对该器件进行了改进，并称之为g - m 计数器， 直到现在仍是计量放射线的有力工具，如图2 .2 所示。阳极为一根金属丝，阴 极为金属圆筒。显然，这种电极结构的电场分布不均匀. 在阳极附近电场强度 大，而在阴极附近电场强度很小。当有射线进入计数器时， 在电场强度高的阳 极附近发生气体电离，电子被阳极收集。通过分布电容 c ， 放电， 使计数器端 电压降低。一旦电位下降到一定的数值，阳极周围的电场减弱，放电停止，这 样就完成了一次计数 用放大器 将上述脉冲予以 放大， 并记录下来。 完成一次 计数之后，电 荷从电阻 r漏掉，又开始准备第二次计数。 这样，根据计数率 的不同，以达到区分各种射线的目的。 阴 极 ， 输 出 图 2 .2 g - m计数器的结构 计数器根据所加电压的不同， 可划分成以下不同的工作区， 如图2 .3 所示。 相应地， 气体计数器可分为电 离室、 正比 例计数器、 g - m 计 数器2 4 - 2 6 1 。 一般 的计数器工作于正比例区 ( 正比例计数器)或盖革区 ( g - m 计数器) 。在正比 例区中， 脉冲数值正比于射线能量，因此， 工作于此区的计数器可以区别原始 电离能力差别较大的粒子， 如。 射线与日 射线。 在盖革区中， 任何射线都有相 同的效率，脉冲大小与射线强度无关， 工作于此区中的计数器本身的带电粒子 已具有很大的能量，容易产生碰撞电离。该区的特点是灵敏度较高，己被用于 g - m 计数器。 西北 毛 业大学硕七学位论文第 2 章低能电子传感器系统研究 近年来，人们正致力于用计数器检测物体表面所发射的低能电子。鉴于 g - m计数器气体增益大， 输出幅度恒定， 外部不需要更多的控制电路就可有效 地检测低能电子，因而成为低能电子发射特性的有力工具。 11口11口111111 咏冲幅度 电 离窄 l x i l 比例l, i l . 比1 9 1 极限伙 活 亩 不x a9 士 线 1 宙射线 电i g v 图 2 . 3 计数器 1 作区的划分 尽管g - m计数器具有诸多优点，但在实际应用中证明，g - m计数器亦存 在严重缺陷，即计数器内正离子速率较高，容易发生自 持放电。 在大多数的装 置中，试样放在阴极位置处， 试样发射出的低能电子与其他原子或分子形成的 负离子在阳极附近发生放电时，阳极附近的雪崩区亦产生大量的正离子。正离 子在电场加速 下 向阴极运动，轰击试样，可能导致过多地计数。因此，人们正 在研究许多不同的改进方案，力求提高其检测效率。 2 .控制电源 由于双栅极空气计数器 的控制电路比较复杂，因此其良好的工作性能依 靠高质量的电源来保证。满足双栅极空气计数器 要求的电源有 1 1路高、中、 低压混合直流输出电压，它可以同时向计数器的阳极、阴极、 控制电路、接口 电路、显示装置供电。 直流稳压电源通常分为线性稳压电源和开关稳压电源。 线性稳压电源是发 展最早， 应用最广泛的一种电源， 具有线路简单、 纹波小、 稳压性能好等优点。 2 0世纪 8 0年代以前线性稳压电源在工业、 通讯、军事、 医疗等产品中得到了 西北 下 业大学硕十学位论文第2 章低能电子传感器系统研究 广泛的应用，但是它效率低、体积大。开关稳压电源是在 2 0世纪 5 0年代发 展起来的，它克服了线性稳压电源的缺点，具有较大的发展潜力。 1 9 5 5年， 美国 科学家g . h . r o y e r 研制成功了 利用 磁芯 饱和进行自 激振荡 的晶体管直流变换器， 成为开关电源发展的开端。 随着g t r , g t o , mo s f e t , i g b t等电力电子 器件的不断出 现，开关电 源也有了 很大的发展【2 7 1 3 .放大电路 放大电路用来把幅度和驱动能力都很小的放电脉冲信号变换成控制电路 所要求的具有较大幅度和负载能力的信号12 8 1 ，然后进入鉴幅电 路。 4 .鉴幅电路 信号经过由施密特电路组成的鉴幅电路后， 可以形成具有高速前沿的触发 脉冲，这个触发脉冲通过晶体三极管后，输出到单稳电路、 碎熄电路和抑制电 路。 5 .碎熄电路和抑制电路 粹熄电路和抑制电路在触发脉冲作用下， 可以输出控制电路所要求的碎熄 栅极电 压u q 和抑制栅极电 压uo 2 . 2 低能电子传感器工作原理 它由 阳 极、 阴 极、 碎 熄 栅极g ; 和 抑制 栅极g s 、 放大电 路 ( 前置 放大 和主 放大) 、鉴幅电路、单稳电路等组成。其工作原理如下: 两 个栅极均为网 状结构， 碎熄栅极h 加有初始电 压 u q ， 抑制栅极上 加有 初 始电 压u . 认和u都为 正 值， 且佑 u s 。 阴 极 和 拌 熄 栅极 是 联系 在一 起的， 具有相同的电位，试件接地。在两个栅极和试件所形成的电场作用下.能量较 低的低能电子很容易进入计数器， 这样就解决了低能电子的引入问题。 低能电 子进入计数器内在强电场的作用下发生雪崩放电，放电脉冲进入控制电路。 控 制电路在放电脉冲的作用下， 分别给碎熄栅极和抑制栅极加上正的碎熄电压和 负的抑制电压。 碎熄电压迅速升高使阳极附近的电场强度降低， 从而使放电停 止。放电产生的正 离子经过一段时间到达碎熄栅极 g q ，大部分正离子在栅极 西北 下 业大学硕十学位论文第2 章低能电子传感器系统研究 广泛的应用，但是它效率低、体积大。开关稳压电源是在 2 0世纪 5 0年代发 展起来的，它克服了线性稳压电源的缺点，具有较大的发展潜力。 1 9 5 5年， 美国 科学家g . h . r o y e r 研制成功了 利用 磁芯 饱和进行自 激振荡 的晶体管直流变换器， 成为开关电源发展的开端。 随着g t r , g t o , mo s f e t , i g b t等电力电子 器件的不断出 现，开关电 源也有了 很大的发展【2 7 1 3 .放大电路 放大电路用来把幅度和驱动能力都很小的放电脉冲信号变换成控制电路 所要求的具有较大幅度和负载能力的信号12 8 1 ，然后进入鉴幅电 路。 4 .鉴幅电路 信号经过由施密特电路组成的鉴幅电路后， 可以形成具有高速前沿的触发 脉冲，这个触发脉冲通过晶体三极管后，输出到单稳电路、 碎熄电路和抑制电 路。 5 .碎熄电路和抑制电路 粹熄电路和抑制电路在触发脉冲作用下， 可以输出控制电路所要求的碎熄 栅极电 压u q 和抑制栅极电 压uo 2 . 2 低能电子传感器工作原理 它由 阳 极、 阴 极、 碎 熄 栅极g ; 和 抑制 栅极g s 、 放大电 路 ( 前置 放大 和主 放大) 、鉴幅电路、单稳电路等组成。其工作原理如下: 两 个栅极均为网 状结构， 碎熄栅极h 加有初始电 压 u q ， 抑制栅极上 加有 初 始电 压u . 认和u都为 正 值， 且佑 u s 。 阴 极 和 拌 熄 栅极 是 联系 在一 起的， 具有相同的电位，试件接地。在两个栅极和试件所形成的电场作用下.能量较 低的低能电子很容易进入计数器， 这样就解决了低能电子的引入问题。 低能电 子进入计数器内在强电场的作用下发生雪崩放电，放电脉冲进入控制电路。 控 制电路在放电脉冲的作用下， 分别给碎熄栅极和抑制栅极加上正的碎熄电压和 负的抑制电压。 碎熄电压迅速升高使阳极附近的电场强度降低， 从而使放电停 止。放电产生的正 离子经过一段时间到达碎熄栅极 g q ，大部分正离子在栅极 西北 业大学硕士学位论文第2 章低能电子传感器系统研究 表 面 被中 和。 少量穿 过 栅极g 。 的 正离子 被 加 有负电 压的 抑制 栅极gs所捕获。 正离子吸收完后， 重新恢复两个栅级上的初始电压。如果此时有电子进入计数 器，可引起新的放电，计数器重新开始计数。由于采用了抑制栅极，可有效地 防止正离子轰击试件。采用外电路碎熄， 使放电及时停止，大大提高了计数器 的计数频率。 山于解决了正离子轰击试件问题， 低能电子引入问题， 并且外电路碎熄电 路可提高计数频率， 故双栅极空气计数器是低能电子检测的可行设计方案。 这 种计数器具有实时检测功能， 它克服了传统计数器只能对己形成的微裂纹进行 检测的局限性， 可以直接测量暴露在空气中的低能电子，因而具有较大的理论 意义和广泛的应用价值。 2 . 3 本章小结 本章首先介绍了低能电子传感器系统结构，其由计数器、控制电源、放大 电路 ( 前置放大和主放大) 、鉴幅电路、碎熄电路、抑制电路、单稳电路、计 数电路等组成。然后，对系统各组成部分及其功能、作用分别做了简要介绍。 最后，阐述了低能电子传感器即双栅极空气计数器的工作原理，并阐明了这种 计数器具有实时检测功能， 可以直接测量暴露在空气中的低能电子，克服了传 统计数器只能对己形成的微裂纹进行检测的局限性。 西北 业大学硕士学位论文第2 章低能电子传感器系统研究 表 面 被中 和。 少量穿 过 栅极g 。 的 正离子 被 加 有负电 压的 抑制 栅极gs所捕获。 正离子吸收完后， 重新恢复两个栅级上的初始电压。如果此时有电子进入计数 器，可引起新的放电，计数器重新开始计数。由于采用了抑制栅极，可有效地 防止正离子轰击试件。采用外电路碎熄， 使放电及时停止，大大提高了计数器 的计数频率。 山于解决了正离子轰击试件问题， 低能电子引入问题， 并且外电路碎熄电 路可提高计数频率， 故双栅极空气计数器是低能电子检测的可行设计方案。 这 种计数器具有实时检测功能， 它克服了传统计数器只能对己形成的微裂纹进行 检测的局限性， 可以直接测量暴露在空气中的低能电子，因而具有较大的理论 意义和广泛的应用价值。 2 . 3 本章小结 本章首先介绍了低能电子传感器系统结构，其由计数器、控制电源、放大 电路 ( 前置放大和主放大) 、鉴幅电路、碎熄电路、抑制电路、单稳电路、计 数电路等组成。然后，对系统各组成部分及其功能、作用分别做了简要介绍。 最后，阐述了低能