УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ИСПАРЕНИЯ В ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ УСТАНОВКЕ

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, в частности к устройствам для управления электронно - лучевыми установками, используемыми для нанесения покрытий в вакууме на различные изделия.
Известно устройство для управления процессом испарения в электроннолучевой установке, содержащее электронно-лучевую пушку, тигель с испаряемым материалом, изделие, на которое наносится покрытие, блок формирования анодного напряжения, регулятор тока накала катода электронно-лучевой пушки, датчик скорости испарения, корректирующее устройство, включающее в себя сумматор, соединенный выходом со входом регулятора тока накала катода и подключенный одним входом к выходу элемента сравнения, а вторым входом - выходу интегратора, также подключенного своим входом к выходу элемента сравнения, связанного вычитающим входом с выходом датчика скорости испарения, а суммирующим входом - с задатчиком скорости испарения (см. статью «Принципы управления процессом нанесения покрытия в электронно-лучевой установке» Авторы: Бородин С.О. и др. в журнале «Вакуумная техника и технология», том 17, №3, 2007, С.163-165), которое принято за прототип.
Недостатком устройства является необходимость ручной настройки параметров корректирующего устройства при изменении величины заданной скорости испарения. Изменение параметров корректирующего устройства является сложным и длительным процессом, снижающим производительность установки и точность задания параметров.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении точности и качества регулирования толщины покрытия за счет автоматической адаптации параметров регулятора тока накала катода к изменяющейся величине заданной скорости испарения.
Поставленная задача решается тем, что известное устройство для управления процессом испарения в электронно-лучевой установке, содержащее электронно-лучевую пушку, тигель с испаряемым материалом, изделие, на которое наносится покрытие, блок формирования анодного напряжения, регулятор тока накала катода электронно-лучевой пушки, датчик скорости испарения, корректирующее устройство, включающее в себя сумматор, соединенный выходом со входом регулятора тока накала катода, элемент сравнения, согласно полезной модели, снабжено первым и вторым нелинейными преобразователями, первым и вторым блоками умножения, первый блок умножения соединен выходом со входом сумматора, первым входом - с выходом элемента сравнения, а вторым входом - с выходом первого нелинейного преобразователя, подключенного своим входом к выходу задатчика скорости испарения, также соединенного со входом второго нелинейного преобразователя, подключенного выходом ко второму входу второго блока умножения, соединенного первым входом с выходом элемента сравнения, а выходом - со входом интегратора.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для управления процессом испарения в электронно-лучевой установке.
из
и
Устройство для управления процессом испарения в электронно-лучевой установке содержит задатчик 1 скорости испарения ν, датчик 2 скорости испарения ν, корректирующее устройство 3, включающее в себя сумматор 4, соединенный выходом со входом регулятора тока накала катода 5 и подключенный одним входом к выходу элемента сравнения 6 через первый блок умножения 7, соединенный вторым своим входом с выходом первого нелинейного преобразователя 8, связанного входом с выходом задатчика скорости испарения 1. Первый вход элемента сравнения 6 подключен к выходу задатчика скорости испарения 1, а второй вход элемента сравнения 6 соединен с выходом датчика скорости испарения 2. Интегратор 9 подключен своим входом к выходу второго блока умножения 10, связанного первым входом с выходом элемента сравнения 6, а вторым входом - с выходом второго нелинейного преобразователя 11, подключенного входом к выходу задатчика скорости испарения 1. Выход регулятора
тока накала катода 5 связан с катодом электронно-лучевой пушки 12, к которой подключен выход блока анодного напряжения 13. Электронный пучок 14, формируемый электронно-лучевой пушкой, направляется в тигель 15 с испаряемым материалом. Пары 16 испаряемого материала конденсируются на изделии 17. Датчик 2, подключенный к вычитающему входу элемента сравнения 6, выделяет сигнал, пропорциональный скорости испарения и конденсации материала на изделии 17.
а
н
из
и
из
и
из
и
Устройство работает следующим образом. Технологический процесс нанесения покрытия на изделие 17 обеспечивается подачей на электроннолучевую пушку 12, расположенную вместе с изделием в вакуумной камере, ускоряющего анодного напряжения U, вырабатываемого на выходе блока анодного напряжения 13, и тока накала I, создаваемого на выходе регулятора тока накала катода 5. Требуемая для каждого конкретного изделия и испаряемого материала скорость испарения и конденсации ν задается оператором на выходе задатчика скорости испарения 1. Канал отрицательной обратной связи по текущему значению скорости испарения, образован датчиком скорости испарения 2. Сигнал ν с выхода этого датчика подается на вычитающий вход элемента сравнения 6 и сравнивается с заданным значением скорости испарения ν. Сигнал разности заданного и текущего значения скорости испарения Δν=ν-ν поступает на вход корректирующего устройства скорости испарения 3, вырабатывающего пропорционально-интегральный закон регулирования. Введение в замкнутую систему регулирования корректирующего устройства с таким законом регулирования позволяет путем настройки его параметров обеспечить устойчивость системы и достигнуть желаемого качества и точности регулирования.
1
и
2
и
1
2
В известных системах регулирования параметры корректирующего устройства, определяющие пропорциональную kΔν и интегральную k∫Δν составляющие закона регулирования, после настройки системы далее в процессе работы установки не изменяются, т.е. k и k сохраняются постоянными при изменении задания. Для линейных систем неизменность параметров ПИ-регулятора
1
из
2
из
не приводит к ухудшению качества регулирования при изменении задания, что делает такую систему вполне пригодной. Однако рассматриваемая система стабилизации скорости испарения является существенно нелинейной, что приводит к зависимости качества регулирования от величины задания скорости испарения. Для устранения этого недостатка известных систем регулирования в предлагаемой системе введены дополнительные функциональные элементы, обеспечивающие изменение (адаптацию) параметров ПИ-регулятора к величине задания скорости. Требуемые зависимости k(ν) и k(ν) закона регулирования вырабатываются на выходах первого 8 и второго 11 нелинейных преобразователей, сигналы с выходов которых поступают на вторые входы первого 7 и второго 10 блоков умножения. Адаптация параметров корректирующего устройства скорости испарения 3 к изменяющемуся заданию скорости испарения, обеспечивает автоподстройку системы к изменяющемуся заданию скорости испарения и конденсации.
Реализация корректирующего скорости испарения возможна на аналоговых (непрерывных) элементах (операционные усилители и транзисторы) или на цифровых элементах (программируемые контроллеры). В аналоговых корректирующих устройствах скорости испарения функциональные блоки 8 и 11, представляющие собой усилители с нелинейной характеристикой вход-выход, реализуются на базе операционных усилителей с нелинейной отрицательной обратной связью. Блоки умножения 7 и 10 в аналоговых корректирующих устройствах скорости испарения также реализуются на базе операционных усилителей.
В настоящее время различного рода корректирующие устройства реализуются на базе программируемых контроллеров. При реализации корректирующего устройства скорости испарения на программируемом контроллере функциональные блоки 8 и 11 выполняются на постоянных или перепрограммируемых запоминающих устройствах (программируемых матриц), позволяющих в цифровой форме задать желаемую характеристику вход-выход функционального
элемента. Блоки умножения в цифровых корректирующих устройствах реализуются программным путем.
Автоподстройка системы стабилизации скорости испарения при изменении заданного значения позволяет сократить время ввода установки и обеспечить более высокую точность нанесения покрытия в процессе эксплуатации установки, которая характеризуется высокой нестабильностью тепловых процессов испарения материала.