УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ И КОНТРОЛЯ ФОКУСИРОВКИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
DEVICE FOR DETERMINATION OF ENERGY DENSITY DISTRIBUTION AND CONTROL OF ELECTRON BEAM FOCUSING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электронно-лучевой сварке металлов и может быть использовано для повышения воспроизводимости результатов электронно-лучевой сварки посредством контроля параметров пучка электронов.
Уровень техники
Электронно-лучевая сварка является наиболее точным методом сварки толстостенных изделий. В то же время использование электронно-лучевой сварки связано с трудностью воспроизведения режима фокусировки и распределения плотности энергии электронного пучка. Без надежного воспроизведения этих параметров невозможно гарантировать качество электронного пучка. Эта проблема усугубляется тем, что многие сварные швы выполняются спустя определенный период времени и с разными операторами сварочной установки. Дополнительные осложнения возникают, когда технология сварки, разработанная на одной установке, передается на другую для производства.
Известно устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка, содержащее две кольцевые металлические пластины с соосно расположенными отверстиями разного диаметра. Оси отверстий совпадают с осью пучка, формируемого электронно-лучевой пушкой. Обе пластины заземлены через резисторы с одинаковыми сопротивлениями. При перемещении электронного пучка вдоль радиуса на резисторах пластин создаются падения напряжения, разница которых определяет функцию распределения тока электронного пучка в данном сечении и направлении зондирования. В результате измерения получается интегральная кривая зондового тока, затем ее численно дифференцируют и после фильтрации по различным алгоритмам получают проекцию двумерного распределения плотности тока. Полученные проекции служат исходной информацией для вычисления характеристик луча: диаметра электронного пучка на уровне 50%-ной мощности, удельной мощность в 50%-ном пятне нагрева, оценка нормальности распределения плотности тока в направлении сканирования, угол сходимости пучка. Точность способа оказывается ограниченной из-за большой величины помехи, возникающей при численном дифференцировании. Кроме того, на точность отрицательно влияет то, что некоторая часть электронов пучка, попадающих на пластину, может быть потеряна в результате вторичной эмиссии электронов (В.Н. Ластовиря, П.В. Полянский. Система оперативного контроля проплавляющих свойств электронного пучка при сварке // Сварочное производство. - 1990. - №8. - С. 25-26).
Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в наличии пластины с отверстиями.
Причина, препятствующая получению в известном устройстве технического результата, который обеспечивается заявленным изобретением, заключается в том, что некоторая часть электронов пучка, попадающих на пластину, оказывается потерянной в результате вторичной эмиссии электронов, что снижает точность измерений.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка, содержащее контроллер и преобразователь поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал, предназначенный для его обработки контроллером. При этом указанный преобразователь содержит корпус, выполненный из электропроводящего материала в виде полого цилиндра с открытым первым торцом, предназначенным для входа электронного пучка в преобразователь, и закрытым вторым торцом, щелевую диафрагму, выполненную из электропроводящего тугоплавкого материала, коллекторы первичных и вторичных электронов, выполненные из электропроводящих материалов. Щелевая диафрагма расположена внутри корпуса преобразователя в области его первого торца, электрически соединена с этим корпусом. Коллектор первичных электронов установлен внутри корпуса на расстоянии от щелевой диафрагмы и выполнен в виде цилиндрического стакана. Коллектор вторичных электронов выполнен в виде диска со щелями, который расположен внутри коллектора первичных электронов соосно с ним, электрически соединен с коллектором первичных электронов, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером (Патент США US 6,300,755 В1, МПК G01N 27/00, 9 окт. 2001).
Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что устройство содержит контроллер и преобразователь поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал, предназначенный для его обработки контроллером. При этом указанный преобразователь содержит корпус, выполненный из электропроводящего материала в виде полого цилиндра с открытым первым торцом, предназначенным для входа электронного пучка в преобразователь, и закрытым вторым торцом, щелевую диафрагму, выполненную из электропроводящего тугоплавкого материала, коллекторы первичных и вторичных электронов, выполненные из электропроводящих материалов. Щелевая диафрагма расположена внутри корпуса преобразователя в области его первого торца, электрически соединена с этим корпусом. Коллектор первичных электронов установлен внутри корпуса на расстоянии от щелевой диафрагмы. Коллектор вторичных электронов расположен внутри корпуса и электрически соединен с коллектором первичных электронов, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером.
Причина, препятствующая получению в известном устройстве технического результата, который обеспечивается заявленным изобретением, заключается в высоких требованиях к точности изготовления и сборки щелевой диафрагмы и коллектора вторичных электронов, так чтобы их щели находились точно друг под другом. При работе такого устройства требуется очень точное центрирование преобразователя относительно оси пучка. В случае нарушения соосности не все электроны, прошедшие через щели щелевой диафрагмы, попадут в щели коллектора вторичных электронов, что нарушит работу устройства. Устройство также не содержит элементов для измерения тока луча непосредственно во время регистрации проекций и требует для этого отдельной операции. Данный недостаток снижает удобство использования устройства. Кроме того, значение тока луча вследствие тех или иных причин (погрешность системы управления электронно-лучевой установкой, ошибка оператора и т.п.) может отличаться на стадиях предварительного измерения тока и регистрации проекций луча. Это может привести к дополнительной погрешности при восстановлении распределения плотности тока луча. Другим серьезным недостатком является низкая точность устройства при определении параметров электронных лучей малых поперечных размеров. Применяемые методы томографии требуют использования бесконечно тонких щелей. На практике в вольфрамовом диске (щелевой диафрагме) изготовить щели толщиной менее 0.1 мм крайне затруднительно. При ширине щели 0.1 мм измерение остросфокусированного электронного луча диаметром 0.2 мм дает погрешность около 15% [Elmer J.W., Teruya A.T. An enhanced Faraday cup for rapid determination of power density distribution in electron beams // WELDING JOURNAL-NEW YORK. - 2001. - T. 80. - №. 12. - C. 288-s].
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в снижении себестоимости изготовления устройства, в упрощении его конструкции, в повышении точности определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в снижении потерь электронов в результате их вторичной эмиссии за счет изменения угла отражения электронов от коллектора первичных электронов, а также в возможности интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка (с сохранением дифференциальных измерений).
1
1
2
2
2
1
1
2
Достигается технический результат тем, что устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка содержит контроллер и преобразователь поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал, предназначенный для его обработки контроллером, при этом указанный преобразователь содержит корпус, выполненный из электропроводящего материала в виде полого цилиндра с открытым первым торцом, предназначенным для входа электронного пучка в преобразователь, и закрытым вторым торцом, щелевую диафрагму, выполненную из электропроводящего тугоплавкого материала, коллекторы первичных и вторичных электронов, выполненные из электропроводящих материалов, разделительный стакан, выполненный из диэлектрического материала, при этом щелевая диафрагма расположена внутри корпуса преобразователя в области его первого торца, электрически соединена с этим корпусом и содержит N радиальных щелей шириной h для дифференциальных измерений и N радиальных щелей шириной h для интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка так, что h>h и N>N≥1, разделительный стакан расположен внутри корпуса преобразователя так, что дно стакана сопряжено со вторым торцом корпуса, коллектор первичных электронов установлен внутри разделительного стакана в области его дна на расстоянии от щелевой диафрагмы и выполнен в виде тела вращения с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении от дна разделительного стакана к упомянутой щелевой диафрагме, коллектор вторичных электронов выполнен в виде полого цилиндра, установлен внутри разделительного стакана соосно с ним и электрически соединен с коллектором первичных электронов, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером.
Новые признаки заявленного устройства (относительно прототипа) заключаются в следующем:
1
1
2
2
2
1
1
2
1) щелевая диафрагма содержит N радиальных щелей шириной h для дифференциальных измерений и N радиальных щелей шириной h для интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка так, что h>h и N>N≥1;
2) преобразователь содержит разделительный стакан, который расположен внутри корпуса преобразователя так, что дно стакана сопряжено со вторым торцом корпуса;
3) коллектор первичных электронов установлен внутри разделительного стакана в области его дна и выполнен в виде тела вращения с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении от дна разделительного стакана к упомянутой щелевой диафрагме;
4) коллектор вторичных электронов выполнен в виде полого цилиндра и установлен внутри разделительного стакана соосно с ним.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показано заявляемое устройство, содержащее преобразователь 1 и контроллер 2: преобразователь показан в аксонометрии, контроллер - в виде функционального блока.
На фиг. 2 показан вариант выполнения щелевой диафрагмы преобразователя.
На фиг. 3 показана функциональная схема, иллюстрирующая работу устройства, совместно со стандартной электронно-лучевой установкой.
Осуществление изобретения
Устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка содержит контроллер 1 и преобразователь 2 поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал, предназначенный для его обработки контроллером 1 (фиг. 1).
1
1
2
2
2
1
1
2
Преобразователь 2 содержит корпус 3, выполненный из электропроводящего материала в виде полого цилиндра с открытым первым торцом 4, предназначенным для входа электронного пучка в преобразователь, и закрытым вторым торцом 5, щелевую диафрагму 6, выполненную из электропроводящего тугоплавкого материала (например, из вольфрама), коллектор 7 первичных и коллектор 8 вторичных электронов, выполненные из электропроводящих материалов, разделительный стакан 9, выполненный из диэлектрического материала. Коллекторы 7 и 8 соединены между собой электрически и при этом изолированы от корпуса 3 при помощи разделительного стакана 9. Кроме того, коллектор 7, являющийся выходом преобразователя 2, соединен с входом нагрузочного резистора 10, выход которого соединен с корпусом 3, являющимся «землей». Щелевая диафрагма 6 (фиг. 1 и 2) расположена внутри корпуса 3 преобразователя 2 в области его первого торца 4, электрически соединена с этим корпусом и содержит N радиальных щелей 11 шириной h для дифференциальных измерений (щель 11 является узкой щелью, ее ширина меньше диаметра электронного пучка) и N радиальных щелей 12 шириной h для интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка (щель 12 является широкой щелью, ее ширина равна или больше диаметра электронного пучка) так, что h>h и N>N≥1. Таким образом, среди узких щелей 11 на диафрагме 6 расположена одна или несколько более широких щелей 12 для интегральных измерений тока электронного пучка таких, чтобы луч пучка при сканировании проходил через них целиком. Широкие щели 12 также могут быть использованы для измерения параметров узких пучков. При пересечении края каждой широкой щели получается интегральная кривая, которую затем численно дифференцируют. Данная процедура повышает точность определения параметров электронных пучков малых поперечных размеров.
Разделительный стакан 9 (фиг. 1) расположен внутри корпуса 3 преобразователя 2 так, что дно стакана сопряжено со вторым торцом 5 корпуса 3. Коллектор 7 первичных электронов установлен внутри разделительного стакана 9 в области его дна на расстоянии от щелевой диафрагмы 6 и выполнен в виде тела вращения с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении от дна разделительного стакана 9 к упомянутой щелевой диафрагме 6 (например, в виде конуса) для того, чтобы электроны, проходящие через щели 11 и 12 щелевой диафрагмы 6, падали на поверхность коллектора 7 под углом. Такое выполнение коллектора 7 способствует направлению потока отраженных и высокоэнергичных вторичных электронов на стенку коллектора 8, что препятствует попаданию этих электронов обратно на щелевую диафрагму 6. Дополнительно коллектор 7 может быть выполнен из материалов с низким атомным номером для снижения коэффициента отражения электронов.
Коллектор 8 вторичных электронов выполнен в виде полого цилиндра, установлен внутри разделительного стакана соосно с ним и электрически соединен с коллектором 7 первичных электронов, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером 1.
Работа устройства заключается в следующем.
Преобразователь 2 устанавливают в вакуумную камеру 13 электронно-лучевой установки так, чтобы щелевая диафрагма 6 преобразователя 2 располагалась на требуемом расстоянии от среза электронно-лучевой пушки 14 соосно с ней (фиг. 3). Контроллер 1, оснащенный аналого-цифровым и цифроаналоговым интерфейсом, управляет токами отклоняющих катушек 15 электронно-лучевой установки и током электронного пучка 16. В процессе управления в отклоняющих катушках 15 создается сигнал, обеспечивающий круговую развертку электронного пучка 16 на щелевой диафрагме 6 преобразователя 2. Контроллер 1 включает на короткое время заданное значение тока луча 16 и одновременно начинает регистрацию выходного сигнала преобразователя 2 с нагрузочного резистора 10, а также сигнала, пропорционального току в одной из отклоняющих катушек 15. За это короткое время электронный луч 16 осуществляет несколько круговых сканирований щелевой диафрагмы 6 преобразователя 2, выходной сигнал которого представляет собой серии импульсов. Каждый из этих импульсов соответствует пересечению электронным пучком 16 одной из щелей 11 и 12 щелевой диафрагмы 6. Данные регистрации впоследствии обрабатываются контроллером 1. Обработка может включать в себя применение метода синхронного накопления с целью уменьшения уровня случайных помех [Управление электронно-лучевой сваркой. / В.Д. Лаптенок, А.В. Мурыгин, Ю.Н. Серегин, В.Я. Браверман. - Красноярск: CAA, 2000. - 234 с.]. Далее сигнал от каждой из узких щелей 11, представляющий собой проекцию двумерного распределения плотности тока луча 16 в направлении щели 11, обрабатывают методами томографии [Терещенко С.А. Методы вычислительной томографии. - М.: Физматлит, 2004], в результате чего получают двумерное распределение плотности тока луча 16. Интегральная величина тока луча 16 получается из данных регистрации выходного сигнала при пересечении широких щелей 12. Для приведения формы к реальной мощности полученное распределение умножается на коэффициент, определяемый отношением тока интегральной величины тока луча к интегралу от функции распределения.
В случае исследования пучка малых поперечных размеров измерение параметров может производиться посредством обработки сигналов от широких щелей 12. При пересечении края каждой широкой щели 12 получается интегральная кривая, которую затем численно дифференцируют. Импульсы, полученные после дифференцирования, являются проекциями двумерного распределения плотности тока луча 16 в направлении щели 12. Эти проекции могут в дальнейшем при обработке добавляться к проекциям от узких щелей 11 или обрабатываться независимо.
Коллектор 7 первичных электронов выполнен в виде конуса или другого тела вращения таким образом, чтобы электроны, проходящие через щели 11 и 12 щелевой диафрагмы 6, падали на поверхность коллектора 7 под углом. Такое исполнение коллектора 7 способствует направлению потока отраженных и высокоэнергичных вторичных электронов на стенку коллектора 8, что препятствует их попаданию обратно на щелевую диафрагму 6.
Полученное в результате обработки двумерное распределение плотности тока электронного пучка 16 используется для получения основных параметров, характеризующих фокусировку пучка 16, таких как: диаметр, вычисляемый по ширине распределения плотности энергии на ее характерных уровнях; площадь кривой распределения или нулевой центральный момент распределения, нормированный максимальным значением величины плотности распределения; эффективный диаметр, указывающий интервал, в который попадает 68% энергии электронного пучка, и т.п.
Применение коллектора 7 первичных электронов специальной формы и добавление широких щелей 12 в конструкцию щелевой диафрагмы 6 позволяет повысить функциональность устройства, удобство его использования, точность измерения распределения энергии электронного пучка при снижении требований к точности сборки и изготовления в сравнении с прототипом.