CN102353978B - 一种用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置，包括法拉第筒、铝制外壳和信号切换和放大电路，法拉第筒和信号切换和放大电路都设置在铝制外壳内部，信号切换和放大电路与电子束品质测试系统的真空室外的工控机的采集卡连接，电子束品质测试系统的电子束流被法拉第筒收集，通过电缆流入信号切换和放大电路，微弱的电流信号经过信号切换和放大电路处理后，被采集卡转换成数字信号存储在工控机中；法拉第筒包括两个电子束流孔收集电极和一个电子束流缝收集电极，铝制外壳包括铝合金壳体、铝合金壳盖。本发明提高了电子束流的收集效率，避免了多次抽真空的过程，将信号放大可以明显的提高信噪比。

Description

一种用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置

技术领域

本发明属于电子束流加工技术领域，特别是一种用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置。

背景技术

对一台电子束焊机，为研究电子枪的理论设计与实际的差异，电子枪供电系统的稳定度与真空度变化等因素对电子束斑点直径与功率密度分布的影响，以及束斑尺寸与位置对焊缝成形的影响，需要精确地研究束流的特性，定量地测得电子束焦点的位置、直径及束流功率密度的分布。

在现有电子束流测试技术中，法拉第筒式常用的带电粒子束流强度传感测量仪器，其结构一般是一个筒状的收集电极，是法拉第首先设计和使用的，因而常被称为法拉第筒。当带电粒子被法拉第筒接收，流经电阻，构成回路，就可以测得带电粒子的流强。目前国内还缺乏用于测试电子束加工的电子束焦点、功率密度分布等束流品质的法拉第筒传感装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试电子束加工束流品质的法拉第筒传感装置，适用于定量地测量电子束焦点的位置、直径及束流功率密度的分布。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置，包括法拉第筒、铝制外壳和信号切换和放大电路，法拉第筒和信号切换和放大电路都设置在铝制外壳内部，信号切换和放大电路与电子束品质测试系统的真空室外的工控机的采集卡连接，电子束品质测试系统的电子束流被法拉第筒收集，通过电缆流入信号切换和放大电路，微弱的电流信号经过信号切换和放大电路处理后，被采集卡转换成数字信号存储在工控机中；法拉第筒包括两个电子束流孔收集电极和一个电子束流缝收集电极，铝制外壳包括铝合金壳体、铝合金壳盖；

在铝合金壳体的束流收集电极安装位置处平行于壳底设置第一绝缘垫片，并与第一绝缘垫片相平行方向，以叠加的方式依次放置第一孔收集电极、第二绝缘垫片、缝收集电极、第三绝缘垫片、第二孔收集电极、第四绝缘垫片；第一绝缘垫片、第一孔收集电极、第二绝缘垫片、缝收集电极、第三绝缘垫片、第二孔收集电极、第四绝缘垫片的两个侧面设置绝缘垫片，第一绝缘垫片、第一孔收集电极、第二绝缘垫片、缝收集电极、第三绝缘垫片、第二孔收集电极、第四绝缘垫片的底部垫上过导线绝缘垫块；

圆盘形钨片固定在铝合金壳体的外侧，在每个圆盘形钨片的中心位置加工一个孔，该圆盘形钨片的孔的中心轴分别与第一孔收集电极、第二孔收集电极的上所有孔的中心轴同轴，长方体形钨片也固定在铝合金壳体的外侧，在长方体形钨片中间加工的狭缝，长方体形钨片的安装时要保证狭缝与缝收集电极上的缝的底面投影中心重合。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）法拉第筒的双层电子接收端口有效的阻止了二次电子和背散射电子的逸出，提高了电子束流的收集效率。（2）采用输出信号切换电路，在真空室外可以方便的改变控制电压信号来达到切换收集电子束流方式的目的，避免了多次抽真空的过程。（3）微弱信号放大电路及其增益控制电路可以将整个测量范围内的信号放大到伏级，当信号从真空室内传输到真空外会受到电子束加工环境中较强的电磁场干扰，因此在法拉第筒内将信号放大可以明显的提高信噪比。（4）电子束加工的电子能量为150keV，在铝中的射程为0.1mm，将所有电路装配在壁厚大于4mm的铝盒中，有效的屏蔽了高能电子束及电磁辐射对电路模块的影响；法拉第筒接受电极和电路模块同在铝盒中，可以大大缩短之间的电缆，进一步降低电磁干扰。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是电子束流品质测试系统的示意图。

图2是电子束流孔收集方式的电极示意图。

图3 是电子束流缝收集方式的电极示意图。

图4是法拉第筒传感装置分解示意图。

图5是法拉第筒传感装置截面示意图。

图6 是信号切换和放大电路原理图。

图7 是电子束流在传感器表面的扫描路径。

图8 是                                               

=150kV，

=15mA，H=214mm工况下孔收集方式采集到的数据。

图9是

=150kV，

=15mA，H=214mm工况下准瞬态功率密度分布。

具体实施方式

本发明由法拉第筒、法拉第筒输出信号切换电路、微弱信号放大电路、放大电路增益控制电路和铝质外壳构成，测量结果通过数据采集卡获取并存储在计算机中。其法拉第筒主要由三个铜质收集电极、钨片、绝缘层和绝缘底座组成，对应于两种方式收集电子束流，特殊的筒结构有利于二次电子和散射电子的收集；在真空室外，操作者可以方便的改变输入法拉第筒输出信号切换电路的电压信号来控制收集电子束流的方式，两种收集方式分别分孔收集方式和缝收集方式；微弱信号放大电路依次由电流/电压转换电路、同相放大电路和差分放大电路组成，完成了微弱电子束束流信号到电压信号的转换和放大；由于电子束加工的束流大小范围比较宽，而放大电路增益控制电路解决了在整个范围内都将转换后的电压信号放大到伏级，最后通过数据采集卡采集。

本发明用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置是对束流斑点的直径及束流功率密度的分布等束流品质进行测试，位于电子束品质测试系统中，该电子束品质测试系统还包括电子束焊机、工控机。参见图1，电子束焊机包括电子束发射阴极1、聚焦线圈3、偏转线圈Ⅰ4、偏转线圈Ⅱ5、真空室6和焊机控制系统，在测试时，真空室6内放置偏转线圈Ⅱ5、能量吸收装置7（铜、不锈钢等金属）和法拉第筒传感装置。聚焦线圈3、偏转线圈Ⅰ4、偏转线圈Ⅱ5同轴，聚焦线圈3和偏转线圈Ⅰ4安装在电子枪中，聚焦线圈3在偏转线圈Ⅰ4上面，偏转线圈Ⅱ5的上表面紧贴真空室6的顶部，法拉第筒传感装置安装在偏转线圈Ⅱ5正下方，能量吸收装置7放置在法拉第筒传感装置左侧并且处于同一水平线上。法拉第筒传感装置包括法拉第筒8、铝制外壳9和信号切换和放大电路10，法拉第筒8和信号切换和放大电路10都置于铝制外壳9内部，信号切换和放大电路10与真空室6外的工控机中的采集卡11连接。

电子束流2在电子枪中由电子束发射阴极1产生，经过静电聚焦后，再根据使用需要由电子束焊机的聚焦线圈3和偏转线圈Ⅰ4控制其聚焦状态和小角度偏摆。电子束穿过聚焦线圈3、偏转线圈Ⅰ4、偏转线圈Ⅱ5，在焊机控制系统的驱动下，偏转线圈Ⅱ5可以控制大功率电子束流2偏摆扫描，电子束流2发生大角度偏转至能量吸收装置7上，防止电子束长时间碰撞到法拉第筒传感装置上而损坏它，等待测试，当测试开始，电子束焊机通过偏转线圈Ⅱ5控制电子束流2扫描进入法拉第筒8，法拉第筒8收集电流，微弱的电流信号经过信号切换和放大电路10处理后，被采集卡11转换成数字信号存储在工控机中。

电子束焊机的型号为ZD150-15A，由北京航空制造工程研究所提供，焊机的最大加速电压为150kV，最大束流强度为100mA。采集卡11选用台湾研华公司制造的PCI-1714，4通道模拟量输入，最大采样速率30MS/s，分辨率为12位。

其中，本发明用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置，包括法拉第筒8、铝制外壳9和信号切换和放大电路10，法拉第筒8和信号切换和放大电路10都设置在铝制外壳9内部，信号切换和放大电路10与电子束品质测试系统的真空室6外的工控机的采集卡11连接，电子束品质测试系统的电子束流被法拉第筒8收集，通过电缆流入信号切换和放大电路10，微弱的电流信号经过信号切换和放大电路10处理后，被采集卡11转换成数字信号存储在工控机中；法拉第筒8包括两个电子束流孔收集电极14-1、14-2和一个电子束流缝收集电极17，铝制外壳9包括铝合金壳体18、铝合金壳盖19；

在铝合金壳体18的束流收集电极安装位置23处平行于壳底设置第一绝缘垫片20-1，并与第一绝缘垫片20-1相平行方向，以叠加的方式依次放置第一孔收集电极14-1、第二绝缘垫片20-2、缝收集电极17、第三绝缘垫片20-3、第二孔收集电极14-2、第四绝缘垫片20-4；第一绝缘垫片20-1、第一孔收集电极14-1、第二绝缘垫片20-2、缝收集电极17、第三绝缘垫片20-3、第二孔收集电极14-2、第四绝缘垫片20-4的两个侧面设置绝缘垫片21，第一绝缘垫片20-1、第一孔收集电极14-1、第二绝缘垫片20-2、缝收集电极17、第三绝缘垫片20-3、第二孔收集电极14-2、第四绝缘垫片20-4的底部垫上过导线绝缘垫块22；

两个圆盘形钨片25-1、25-2分别固定在铝合金壳体18的外侧，在每个圆盘形钨片的中心位置加工一个孔，该圆盘形钨片25-1、25-2的孔的中心轴分别与第一孔收集电极14-1、第二孔收集电极14-2的上所有孔的中心轴同轴，长方体形钨片26也固定在铝合金壳体18的外侧，在长方体形钨片26中间加工的狭缝，长方体形钨片26的安装时要保证狭缝与缝收集电极17上的缝的底面投影中心重合。

上述电子束流孔收集电极14包括孔收集电极外收集体12和孔收集电极内收集体13，孔收集电极外收集体12上的孔和孔收集电极内收集体13上的孔的中心轴处于同一轴线上，孔收集电极14底部中心位置设置螺纹孔用于固定导线，将电流信号导入信号切换和放大电路10；电子束流缝收集电极17由缝收集电极外收集体15和缝收集电极内收集体16组成，缝收集电极外收集体15和缝收集电极内收集体16上的缝在底面的投影中心重合，缝收集电极17底部中心位置设置螺纹孔用于固定导线，将电流信号导入信号切换和放大电路10。过导线绝缘垫块22的底部设置三个通孔，该三个孔的中心轴线分别与孔收集电极14-1、14-2、缝收集电极17的底部螺纹孔的中心轴线同轴。

实施例

结合图2、图3和图4。参见图2，电子束流的孔收集电极14由孔收集电极外收集体12和孔收集电极内收集体13组成（尺寸和距离根据实际测试时需要进行选择、调整），材质选用H62黄铜，孔收集电极外收集体12的上表面中心上放置直径为2mm的孔，孔收集电极内收集体13的中心放置直径为1.5mm的孔，两个孔的轴处于同一轴线上，两个孔的上表面相距6mm，电极内腔尺寸为18×12×2mm，电极除底部壁厚5mm外，其余为1mm，孔收集电极14底部中心位置放置螺纹孔M2×3mm，用于固定导线，将电流信号导入信号切换和放大电路10。参见图3，电子束流缝收集电极17由缝收集电极外收集体15和缝收集电极内收集体16组成，材质同样选用H62黄铜，缝收集电极外收集体15上表面放置尺寸为10×2mm的缝，缝收集电极内收集体16中心放置尺寸为6×2mm的缝，两个缝的投影中心重合，两个缝的上表面相距6mm，电极壁厚和内腔尺寸与孔收集电极14可以相同，缝收集电极17底部中心位置放置螺纹孔M2×3mm，用于固定导线，将电流信号导入信号切换和放大电路10。

参见图4、图5和图6，法拉第筒传感装置由铝合金壳体18、铝合金壳盖19、绝缘垫片20-1、20-2、20-3、20-4、绝缘垫片21-1、20-2、过导线绝缘垫块22、孔收集电极14-1、14-2、缝收集电极17、圆盘形钨片25-1、25-2、长方体形钨片26、信号切换和放大电路10及电缆组成。铝合金外壳的材质型号为6061，表面经过阳极化处理，在铝合金壳体18的束流收集电极安装位置23处先平行于盒底放入第一绝缘垫片20-1，接着依次放入第一孔收集电极14-1、第二绝缘垫片20-2、缝收集电极17、第三绝缘垫片20-3、第二孔收集电极14-2、第四绝缘垫片20-4，束流收集电极安装位置23的两个侧面也插入绝缘垫片21-1、21-2，束流收集电极安装位置23的底部垫上过导线绝缘垫块22，这样所有进入收集电极的电子只能从电极底部的信号电缆流入后续电路。绝缘垫片20的尺寸为20×18×1mm，绝缘垫片22的尺寸为20×18×3mm，过导线绝缘垫块22的尺寸为20×20×3mm，其中过导线绝缘垫块22的三个孔的孔径都为2.5mm，三个孔的中心轴线分别与孔收集电极14-1、14-2、缝收集电极17的底部螺纹孔的中心轴线同轴。两个圆盘形钨片25-1、25-2分别固定在铝合金壳体18的外侧，利用激光打孔方法在圆盘形钨片25-1、25-2的中心加工一个直径25um的孔，第一圆盘形钨片25-1、第一圆盘形钨片25-2安装时要保证钨片上的孔的中心轴分别与第一孔收集电极14-1、第二孔收集电极14-2上的孔的中心轴同轴，这样电子会在电子束焊机的控制下进入孔收集电极14-1、14-2，而钨的高熔点可以保证多次测量后孔的形状几乎不变，长方体形钨片26也固定在铝合金壳体18的外侧，在长方体形钨片26中间加工尺寸为5×0.03mm的狭缝，类似，长方体形钨片26的安装时要保证狭缝与缝收集电极17上的缝的底面投影中心重合。测试过程中，电子束流2在电子束焊接的控制下在法拉第筒表面运动，经过圆盘形钨片25-1、25-2或长方体形钨片26上时，部分电子束流通过圆盘形钨片25-1、25-2上的孔或长方体形钨片26上的狭缝，然后进入法拉第筒孔收集电极14-1、14-2或缝收集电极17，最后被收集的电流经过导线输入到信号切换和放大电路10。上述尺寸只是举例说明，尺寸大小可以根据测试对象和系统大小作调整。

参见图4和图6，在铝合金壳体18的电路板安装位置24处放置信号切换和放大电路10，信号切换和放大电路10的原理图如图6所示，信号切换和放大电路10包括电阻R1~R7、继电器J1、运算放大器U1、U3，两个孔收集电极信号电缆接入A端，A端与第六电阻R6连接，第六电阻R6的另一端接地，缝收集电极接入B端，B端与第七电阻R7连接，第七电阻R7的另一端接地，在第一继电器J1的P端和N端分别接上DC12V电源的正负极，闭合电源时，电路工作在孔收集方式下，断开电源时，电路工作在孔收集方式下，这样达到了信号切换的要求。第一可调电阻R1、第二电阻R2、第五电阻R5和第一运算放大器U1组成了增益可调的同相放大电路，第一可调电阻R1一端接入Uc，另一端与第一运算放大器U1的反相端连接，第二电阻R2一端接入第一运算放大器U1的反相端，另一端与第一运算放大器U1的输出端相连，第五电阻R5的一端接入第一继电器J1的输出端，另一端与第一运算放大器U1的同相端相连。第三电阻R3、第四电阻R4、第二运算放大器U2和12V稳压源VCC构成了差分放大电路，第三电阻R3一端接入第一运算放大器U1的输出端，另一端与第三运算放大器U3的反相端相连，第四电阻R4的一端接入第三运算放大器U3的反相端，另一端与第三运算放大器U3的输出端相连，第三运算放大器U3的同相端接入12V稳压源VCC。第一运算放大器U1和第二运算放大器U2都选用ADI公司制造的OP160。从真空室外通过屏蔽电缆将增益控制信号接入Uc端，以改变第一可调电阻R1的值改变同相放大电路的放大倍数，A端或B端输入的信号经过第一继电器J1切换后经过第五电阻R5，然后经过第一运算放大器U1放大，放大后经过第三电阻R3，最后经过第三运算放大器U3放大，放大后的信号经过屏蔽电缆传入采集卡11。

参见图7、图8和图9，电子束流27在电子束焊接的控制下沿电子束流扫描路径30在法拉第筒表面运动，经过钨片孔28或钨片缝29时，电子束流27的部分电子进入法拉第筒。在电子束加速电压

=150kV，电子束电流

=8mA，聚焦电流

=345mA，偏转线圈Ⅱ5到铝制外壳9上表面的距离H=330mm条件下对ZD150-15A型电子束焊机的电子束束流进行测试，其中图8为电子束流孔收集方式下所采集到的数据，图9为采集到的数据重构出的准瞬态功率密度分布。 

Claims (4)

1.一种用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置，其特征在于包括法拉第筒（8）、铝制外壳（9）和信号切换和放大电路（10），法拉第筒（8）和信号切换和放大电路（10）都设置在铝制外壳（9）内部，信号切换和放大电路（10）与电子束品质测试系统的真空室（6）外的工控机的采集卡（11）连接，电子束品质测试系统的电子束流被法拉第筒（8）收集，通过电缆流入信号切换和放大电路（10），微弱的电流信号经过信号切换和放大电路（10）处理后，被采集卡（11）转换成数字信号存储在工控机中；法拉第筒（8）包括两个电子束流孔收集电极（14-1、14-2）和一个电子束流缝收集电极（17），铝制外壳（9）包括铝合金壳体（18）、铝合金壳盖（19）；

在铝合金壳体（18）的束流收集电极安装位置（23）处平行于壳底设置第一绝缘垫片（20-1），并与第一绝缘垫片（20-1）相平行方向，以叠加的方式依次放置第一孔收集电极（14-1）、第二绝缘垫片（20-2）、缝收集电极（17）、第三绝缘垫片（20-3）、第二孔收集电极（14-2）、第四绝缘垫片（20-4）；第一绝缘垫片（20-1）、第一孔收集电极（14-1）、第二绝缘垫片（20-2）、缝收集电极（17）、第三绝缘垫片（20-3）、第二孔收集电极（14-2）、第四绝缘垫片（20-4）的两个侧面设置绝缘垫片（21），第一绝缘垫片（20-1）、第一孔收集电极（14-1）、第二绝缘垫片（20-2）、缝收集电极（17）、第三绝缘垫片（20-3）、第二孔收集电极（14-2）、第四绝缘垫片（20-4）的底部垫上过导线绝缘垫块（22）；

两个圆盘形钨片（25-1、25-2）分别固定在铝合金壳体（18）的外侧，在每个圆盘形钨片的中心位置加工一个孔，该圆盘形钨片（25-1、25-2）的孔的中心轴分别与第一孔收集电极（14-1）、第二孔收集电极（14-2）的上所有孔的中心轴同轴，长方体形钨片（26）也固定在铝合金壳体（18）的外侧，在长方体形钨片（26）中间加工的狭缝，长方体形钨片（26）的安装时要保证狭缝与缝收集电极（17）上的缝的底面投影中心重合。

2.根据权利要求1所述的用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置，其特征在于：每个电子束流孔收集电极（14）包括孔收集电极外收集体（12）和孔收集电极内收集体（13），孔收集电极外收集体（12）上的孔和孔收集电极内收集体（13）上的孔的中心轴处于同一轴线上，孔收集电极（14）底部中心位置设置螺纹孔用于固定导线，将电流信号导入信号切换和放大电路（10）；电子束流缝收集电极（17）由缝收集电极外收集体（15）和缝收集电极内收集体（16）组成，缝收集电极外收集体（15）和缝收集电极内收集体（16）上的缝在底面的投影中心重合，缝收集电极（17）底部中心位置设置螺纹孔用于固定导线，将电流信号导入信号切换和放大电路（10）。

3.根据权利要求1所述的用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置，其特征在于：过导线绝缘垫块（22）的底部设置三个通孔，该三个孔的中心轴线分别与第一孔收集电极（14-1）、第二孔收集电极（14-2）、缝收集电极（17）的底部螺纹孔的中心轴线同轴。

4.根据权利要求1所述的用于电子束加工束流品质测试的法拉第筒传感装置，其特征在于：在铝合金壳体（18）中固定信号切换和放大电路（10），信号切换和放大电路（10）包括电阻（R1~R7）、继电器（J1）、运算放大器（U1、U3），两个孔收集电极信号电缆接入A端，A端与第六电阻（R6）连接，第六电阻（R6）的另一端接地，一个缝收集电极接入B端，B端与第七电阻（R7）连接，第七电阻（R7）的另一端接地，在第一继电器（J1）的P端和N端分别接上DC12V电源的正负极，闭合电源时，电路工作在孔收集方式下，断开电源时，电路工作在孔收集方式下，这样达到了信号切换的要求；第一可调电阻（R1）、第二电阻（R2）、第五电阻（R5）和第一运算放大器（U1）组成了增益可调的同相放大电路，第一可调电阻（R1）一端接入Uc，另一端与第一运算放大器（U1）的反相端连接，第二电阻（R2）一端接入第一运算放大器（U1）的反相端，另一端与第一运算放大器（U1）的输出端相连，第五电阻（R5）的一端接入第一继电器（J1）的输出端，另一端与第一运算放大器（U1）的同相端相连；第三电阻（R3）、第四电阻（R4）、第二运算放大器（U2）和12V稳压源（VCC）构成了差分放大电路，第三电阻（R3）一端接入第一运算放大器（U1）的输出端，另一端与第三运算放大器（U3）的反相端相连，第四电阻（R4）的一端接入第三运算放大器（U3）的反相端，另一端与第三运算放大器（U3）的输出端相连，第三运算放大器（U3）的同相端接入12V稳压源（VCC）；从真空室（6）外通过屏蔽电缆将增益控制信号接入Uc端，以改变第一可调电阻（R1）的值改变同相放大电路的放大倍数，A端或B端输入的信号经过第一继电器（J1）切换后经过第五电阻（R5），然后经过第一运算放大器（U1）放大，放大后经过第三电阻（R3），最后经过第三运算放大器（U3）放大，放大后的信号经过屏蔽电缆传入采集卡（11）。

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