金属构件微裂纹低能电子发射理论和检测方法研究

以金属材料微裂纹发射的低能电子为研究对象，着力解决金属材料微裂纹启裂和发展过程监测，预测金属材料和构件剩余寿命问题。在分析低能电子离域过程热力学可能性的基础上，深入研究金属材料低能电子发射机理，采用蒙特卡洛法构造描述和模拟低能电子发射过程的概率模型，随机模拟低能电子发射过程和规律。研制出一种以新型空气计数管为核心,由多路混合输出电源、电子控制系统、计数控制电路相结合的金属微裂纹电子传感系统，为飞行器引擎、机翼等主要零部件早期失效所产生微裂纹现场检测提供有效实验手段。通过传感系统实验研究，建立常见金属材料低能电子发射统一模型，设计金属材料低能电子发射参数数据库，研究金属材料寿命与低能电子发射之间量化理论，研究金属材料寿命精确估算方法与实验结果进行验证，从而达到解决大型金属构件健康状态在线监控和评估问题，研究结果将开拓我国无损检测技术的新领域。

大型飞行器长期服役在恶劣环境中，其关键部位的早期疲劳微裂纹检测已成为一项非常必要和迫切的任务。金属材料在产生疲劳裂纹的同时也发射低能电子，根据发射电子数目的多少判断疲劳起裂点的变化，以及整个裂纹的生长和形成过程，预测金属材料和构件剩余寿命是低能电子理论在金属材料裂纹检测中的一个重要应用。以低能电子为研究对象，建立金属材料低能电子发射数学模型，设计了以双栅极空气计数管（DGAC）为核心的金属微裂纹电子传感系统，对低能电子进行发射理论和实验研究，为飞行器引擎、机翼等主要零部件早期失效所产生微裂纹在线检测提供有效检验手段。.建立了金属氧化物低能电子发射过程模型。提出了采用蒙特卡洛法构造描述和模拟低能电子发射过程的概率模型，计算出了低能电子能量分布曲线。研究结果表明提出的低能电子发射模拟符合发射理论过程和规律，该研究结论为低能电子的有效检测研究提供了理论依据。.提出了以DGAC、多路混合输出电源、电子控制、计数电路等组成的低能电子传感系统的总体设计方案。适应于空气环境下的检测，研制出一种新型计数管。建立了低能电子在DGAC中雪崩放电数学模型，从而获得了计数管参数和电路灵敏度之间数学关系，以及放电量和放电电压之间的数学关系，通过理论研究和仿真分析，验证了DGAC设计方案、参数优化方案和计数管内表面处理的正确性，以及抑制DGAC二次电子发射的有效性。.设计了以猝熄和抑制电路为主体的电子控制系统。提出了猝熄栅极和抑制栅极控制脉冲宽度、脉冲幅值的理论算法，理论验证了电子控制系统不但能很好的解决了控制放电量问题，而且防止正离子轰击阳极，有效实现计数管计数功能，提高了计数管计数的准确性，并实验验证了电子控制系统的可行性。.提出了DGAC传感系统的多路高低压混合电源的设计方法，并完成了以开关电源为主，线性稳压电源为辅，以单端反激式和推挽式开关电源为核心的多路混合型电源的参数选择、电路安装和调试。实验结果表明，该电路高低混合电源可以很好适用于DGAC传感系统中计数管和电子控制电路对电源的要求，为低能电子的有效检测提供可靠保障。.进行了金属裂纹低能电子传感系统实验研究。结果表明，检测系统能够有效检测出铝试样裂纹发射的低能电子数目。当试样受力裂纹扩展时，检测系统能实时检测出低能电子数目随着受力的增加，发射电子数目越多，表明通过检测系统能够通过检测低能电子数目大小来表征裂纹的变化过程。