CN102436009B

CN102436009B - 电子束流功率密度分布的微分测试方法

Info

Publication number: CN102436009B
Application number: CN 201110254559
Authority: CN
Inventors: 姜嘉赢; 王克鸿; 周琦; 彭勇; 朱军
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: CN102436009A

Abstract

本发明公开了一种电子束流功率密度分布的微分测试方法，首先进行测试系统的布置；法拉第筒传感器的设计；电子束流沿平行于细缝长度方向的路径运动，为正程扫描路径，此过程采集的信号为有效信号，将用于后续处理；当电子束流完全经过细缝后逆向运动，为逆程扫描路径，此过程采集的信号为无效信号，将不予存储；重复前述步骤，使电子束流在钨片上的投影斑点从细缝的一侧运动到另一侧；设电子束流的电流密度分布函数为f(x,y)，则功率密度分布函数为g(x,y)=f(x,y)·U _a；整个偏转扫描的正程扫描为n次，则会获得n个f _i (x)，将n个f _i (x)用计算机软件绘制成电流密度分布图形，最后得到功率密度分布图形和直径。本发明不需要每次都使用新的金属试样测量功率密度分布，节约测试成本。

Description

电子束流功率密度分布的微分测试方法

技术领域

本发明属于电子束流加工技术领域，特别是一种电子束流功率密度分布的微分测试方法。

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。

目前，电子束焊接焦点的测量有小束流经验法、AB测试法、探针式测试法、阀值功率密度测试法以及DIABEAM测试法（[1]周琦, 刘方军, 关桥. 电子束流焦点和测量方法进展及分类[J]. 焊接, 2004(01):5-10. [2]Dilthey U, Goumeniouk A, Bohm S, et al. Electron beam diagnostics: A new release of the diabeam system[J]. Vacuum, 2001,62(2-3):77-85.）。其中小束流经验法只能大致判断焦点位置，操作者的经验影响因素较大；日本Arata教授发明的Arata-Beam Teat Method(AB法)，是将金属片竖直放置在不同的高度，呈锯齿斜坡状，电子束流沿斜坡扫过，通过测量电子束流在金属片上熔化宽度的痕迹，测定电子束流在不同工作距离的空间直径和焦点位置，熔宽的测量误差大；探针式测试法由于探针直径很小，在大功率密度下很快被烧化，只适用于小功率密度的测量，同时还有二次电子发射，将影响测量精度；阀值功率密度测试法基于法拉第筒，但其依赖于假定的功率密度分布为圆周对称，具有局限性；DIABEAM测试法可以测量较大功率电子束流的束斑直径和电子束流能量密度分布，收集电流的小孔面积大小会影响测量精度，且飞溅的金属容易堵上小孔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电子束流功率密度分布的微分测试方法，该方法用细缝代替小孔收集电子束流，在扫描方向上提高了测量精度，定量地测量电子束焦点的位置、直径及电子束流功率密度分布。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电子束流功率密度分布的微分测试方法，步骤如下：

1.1测试系统的布置，测试系统包括电子束焊机、能量吸收装置、法拉第筒传感器、工控机，电子束焊机包括电子束发射阴极、聚焦线圈、偏转线圈、工作台和焊机控制系统，电子束流在电子枪中由电子束发射阴极产生，聚焦线圈、偏转线圈同轴，聚焦线圈在偏转线圈上面，能量吸收装置和法拉第筒传感器安装在工作台上，法拉第筒传感装器位于电子束焊机的偏转线圈正下方，能量吸收装置放置在法拉第筒传感器左侧并且处于同一水平线上，法拉第筒传感器与工控机中的数据采集卡连接；电子束流经过静电聚焦后，再由电子束焊机的聚焦线圈控制其聚焦状态，电子束流穿过聚焦线圈、偏转线圈，在焊机控制系统的驱动下，偏转线圈控制电子束流偏摆扫描，电子束流发生大角度偏转至能量吸收装置上；

1.2法拉第筒传感器的设计，法拉第筒传感器上安装钨片，垂直于钨片并在钨片中心加工细缝，在整个偏转扫描过程中电子束流的投影斑点始终在钨片的上运动，正程扫描路径和逆程扫描路径是位于钨片表面的投影斑点运动轨迹；

1.3电子束流沿平行于细缝长度方向的路径运动，为正程扫描路径，当电子束流在测试过程经过细缝，则电子束流中的部分电子会进入细缝被法拉第筒传感器吸收，此过程采集的信号为有效信号，将用于后续处理；

1.4当电子束流完全经过细缝后逆向运动，并在垂直于细缝长度方向上步进△y，为逆程扫描路径，此过程中当电子束流经过细缝时，同样会有部分电子会进入细缝被法拉第筒传感器吸收，但为保证采集信号的相位关系，此过程采集的信号为无效信号，将不予存储；

1.5重复步骤1.3和1.4，使电子束流在钨片上的投影斑点从细缝的一侧运动到另一侧；

1.6设电子束流的电流密度分布函数为f(x,y)，则功率密度分布函数为g(x,y)=f(x,y)·U _a，其中U _a为电子束流加速电压；细缝宽度为d，由于d很小，假定在d区域内沿Y方向上的电流密度分布是均匀的，即在此区域内的电流密度分布与y无关，所以第i次正程扫描得到的电流密度分布简化为f _i (x)，已知电子束流的偏转扫描速度为v：

Figure 2011102545593100002DEST_PATH_IMAGE002

其中I为t时刻进入细缝的电子束流强度，V为t时刻的采集电压，R为采样电阻；

1.7整个偏转扫描的正程扫描为n次，则会获得n个f _i (x)，将n个f _i (x)用计算机软件绘制成电流密度分布图形，最后得到功率密度分布图形和直径。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明不需要每次都使用新的金属试样测量功率密度分布，节约测试成本；（2）本发明不需要假定电子束流的功率密度分布为圆周对称，可以准确的测量不规则的电子束流功率密度分布；（3）本发明只要对采集的到得信号进行微分操作就可以得到电子束流功率密度分布，而不需要计算细缝的面积；（4）该发明用细缝代替小孔收集电子束流，在扫描方向上提高了测量精度，定量地测量电子束焦点的位置、直径及电子束流功率密度分布。

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是电子束流在传感器表面的扫描路径，(a)：扫描初始状态，（2）扫描中间状态，（3）扫描结束状态。

图3是电子束流功率密度分布数据软件重构示意图。

图中附图标记及其所代表的组成部分为：1-电子束发射阴极，2-电子束流，3-聚焦线圈，4-偏转线圈，5-能量吸收装置，6-法拉第筒传感器，7-工作台，8-数据采集卡，9-钨片，10-细缝，11-电子束流投影斑点，12-正程扫描路径，13-逆程扫描路径。

具体实施方式

结合图1，本发明电子束流功率密度分布的微分测试方法，步骤如下：

1.1测试系统的布置，测试系统包括电子束焊机、能量吸收装置5、法拉第筒传感器6、工控机，电子束焊机包括电子束发射阴极1、聚焦线圈3、偏转线圈4、工作台7和焊机控制系统，电子束流2在电子枪中由电子束发射阴极1产生，聚焦线圈3、偏转线圈4同轴，聚焦线圈3在偏转线圈4上面，能量吸收装置5和法拉第筒传感器6安装在工作台7上，法拉第筒传感装器6位于电子束焊机的偏转线圈4正下方，能量吸收装置5放置在法拉第筒传感器6左侧并且处于同一水平线上，法拉第筒传感器6与工控机中的数据采集卡8连接；电子束流2经过静电聚焦后，再由电子束焊机的聚焦线圈3控制其聚焦状态，电子束流2穿过聚焦线圈3、偏转线圈4，在焊机控制系统的驱动下，偏转线圈4控制电子束流2偏摆扫描，电子束流2发生大角度偏转至能量吸收装置5上。

1.2法拉第筒传感器6的设计，法拉第筒传感器6上安装钨片9，垂直于钨片9并在钨片9中心加工细缝10，在整个偏转扫描过程中电子束流2的投影斑点11始终在钨片9的上运动，正程扫描路径12和逆程扫描路径13是位于钨片9表面的投影斑点11运动轨迹。在钨片9上表面设定XOY坐标轴，X轴与细缝10长度方向平行，电子束流2沿X轴正方向（正程扫描路径12）运动，当电子束流2在测试过程经过细缝10，则电子束流2中的部分电子会进入细缝10被法拉第筒传感器6吸收，此过程采集的信号为有效信号，将用于后续处理。

1.3电子束流2沿平行于细缝10长度方向的路径运动，为正程扫描路径12，当电子束流2在测试过程经过细缝10，则电子束流2中的部分电子会进入细缝10被法拉第筒传感器6吸收，此过程采集的信号为有效信号，将用于后续处理。当电子束流2完全经过细缝10后到逆向运动，并在垂直于细缝10长度方向上步进△y（逆程扫描路径13），此过程中当电子束流2经过细缝10时，同样会有部分电子会进入细缝10被法拉第筒传感器6吸收，但为保证采集信号的相位关系，此过程采集的信号为无效信号，将不予存储。

1.4当电子束流2完全经过细缝10后逆向运动，并在垂直于细缝10长度方向上步进△y（d≤△y≤100um，其中d为细缝10的宽度），为逆程扫描路径13，此过程中当电子束流2经过细缝10时，同样会有部分电子会进入细缝10被法拉第筒传感器6吸收，但为保证采集信号的相位关系，此过程采集的信号为无效信号，将不予存储。

1.5重复步骤1.3和1.4，使电子束流2在钨片9上的投影斑点11从细缝10的一侧运动到另一侧；采用高熔点的钨作为电子束偏转扫描的载体，钨片9的厚度为0.1mm~0.5mm，钨片9上细缝10在钨片9上的投影为长方形，其宽度为10um~50um，长度10mm~20mm。

1.6设电子束流2的电流密度分布函数为f(x,y)，则功率密度分布函数为g(x,y)=f(x,y)·U _a，其中U _a为电子束流2加速电压；细缝10宽度为d，由于d很小，假定在d区域内沿Y方向上的电流密度分布是均匀的，即在此区域内的电流密度分布与y无关，所以第i次正程扫描得到的电流密度分布简化为f _i (x)，已知电子束流2的偏转扫描速度为v：

其中I为t时刻进入细缝10的电子束流强度，V为t时刻的采集电压，R为采样电阻。

1.7整个偏转扫描的正程扫描为n次，则会获得n个f _i (x)，将n个f _i (x)用计算机软件（如Matlab软件）绘制成电流密度分布图形，最后得到功率密度分布图形和直径。

在上述方法的基础上垂直移动法拉第筒传感器6，还可以测量不同工作距离的电子束功率密度分布图形，直径最小处为电子束焦点的位置。

本发明电子束流功率密度分布的微分测试方法是对电子束流功率密度的分布等束流品质进行测试，该电子束品质测试系统还包括电子束焊机、法拉第筒传感器6、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4、工作台7和焊机控制系统，聚焦线圈3、偏转线圈4同轴，聚焦线圈3在偏转线圈4上面，能量吸收装置5（铜、不锈钢等金属）和法拉第筒传感器6安装在工作台7上，法拉第筒传感装器6位于偏转线圈4正下方，能量吸收装置5放置在法拉第筒传感器6左侧并且处于同一水平线上。法拉第筒传感器6与工控机中的数据采集卡8连接。

法拉第筒传感器6上表面安装钨片9，垂直于钨片9在钨片9中心加工细缝10，在整个偏转扫描过程中电子束流投影斑点11始终在钨片9的上运动，正程扫描路径12和逆程扫描路径13是设定于钨片9表面的电子束流投影斑点11运动轨迹。

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，再由电子束焊机的聚焦线圈3控制其聚焦状态。电子束流2穿过聚焦线圈3、偏转线圈4，在焊机控制系统的驱动下，偏转线圈4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5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。

参见图2，当测试开始时，电子束焊机通过偏转线圈4控制电子束流2偏转扫描，在钨片9上表面设定XOY坐标轴，X轴与细缝10长度方向平行，首先电子束流2沿X轴正方向（正程扫描路径12）在法拉第筒传感器6上表面的钨片9上的运动，由于电子束加工用的电子束流功率密度大，所以采用高熔点的钨作为电子束流偏转扫描的载体，钨片9的厚度为0.1mm~0.5mm，细缝10的宽度d为10um~50um，长度l为10mm~20mm，当电子束流2在测试过程经过细缝10，电子束流2中的部分电子会进入细缝10被法拉第筒传感器吸收，此过程采集的信号为有效信号，经过法拉第筒传感器6的处理，最终信号被数据采集卡8转换成数字信号存储在工控机中，正程扫描结束后电子束流2会逆向运动（逆程扫描路径13），此时电子束流2会沿Y方向步进距离△y（d≤△y≤100um），当电子束流2在测试过程经过细缝10，则电子束流2中的部分电子会进入细缝10被法拉第筒传感器吸收，但为保证采集信号的相位关系，此过程采集的信号为无效信号，将不予采集存储，之后电子束将重复正程和逆程扫描过程，一个正程和一个逆程扫描过程为一个扫描周期，整个测试过程的扫描周期数为n(n=100~200)，n个周期结束后电子束流投影斑点11会由图2(a)的扫描初始状态变为图2(c)的扫描结束状态，电子束流投影斑点11从细缝10的一侧运动到另一侧。对应于第i（i=1…n）个周期，采集到的数据经过计算得到分布f _i (x)，将n个f _i (x)用计算机软件（如Matlab软件）绘制成电流密度分布图形，参见图3所示，最后根据g(x,y)=f(x,y)·U _a得到功率密度分布图形。在于垂直移动法拉第筒传感器6，测量不同工作距离的电子束功率密度分布图形，直径最小处为电子束焦点的位置。

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，最大电子束流强度为100mA。采集卡8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。

Claims

1.一种电子束流功率密度分布的微分测试方法，其特征在于步骤如下：

1.1测试系统的布置，测试系统包括电子束焊机、能量吸收装置（5）、法拉第筒传感器（6）、工控机，电子束焊机包括电子束发射阴极（1）、聚焦线圈（3）、偏转线圈（4）、工作台（7）和焊机控制系统，电子束流（2）在电子枪中由电子束发射阴极（1）产生，聚焦线圈（3）、偏转线圈（4）同轴，聚焦线圈（3）在偏转线圈（4）上面，能量吸收装置（5）和法拉第筒传感器（6）安装在工作台（7）上，法拉第筒传感装器（6）位于电子束焊机的偏转线圈（4）正下方，能量吸收装置（5）放置在法拉第筒传感器（6）左侧并且处于同一水平线上，法拉第筒传感器（6）与工控机中的数据采集卡（8）连接；电子束流（2）经过静电聚焦后，再由电子束焊机的聚焦线圈（3）控制其聚焦状态，电子束流（2）穿过聚焦线圈（3）、偏转线圈（4），在焊机控制系统的驱动下，偏转线圈（4）控制电子束流（2）偏摆扫描，电子束流（2）发生大角度偏转至能量吸收装置（5）上；

1.2法拉第筒传感器（6）的设计，法拉第筒传感器（6）上安装钨片（9），垂直于钨片（9）并在钨片（9）中心加工细缝（10），垂直移动法拉第筒传感器（6），测量不同工作距离的电子束功率密度分布图形，直径最小处为电子束焦点的位置，在整个偏转扫描过程中电子束流（2）的投影斑点（11）始终在钨片（9）的上运动，正程扫描路径（12）和逆程扫描路径（13）是位于钨片（9）表面的投影斑点（11）运动轨迹；

1.3电子束流（2）沿平行于细缝（10）长度方向的路径运动，为正程扫描路径（12），当电子束流（2）在测试过程经过细缝（10），则电子束流（2）中的部分电子会进入细缝（10）被法拉第筒传感器（6）吸收，此过程采集的信号为有效信号，将用于后续处理；

1.4当电子束流（2）完全经过细缝（10）后逆向运动，并在垂直于细缝（10）长度方向上步进△y，为逆程扫描路径（13），此过程中当电子束流（2）经过细缝（10）时，同样会有部分电子会进入细缝（10）被法拉第筒传感器（6）吸收，但为保证采集信号的相位关系，此过程采集的信号为无效信号，将不予存储；

1.5重复步骤1.3和1.4，使电子束流（2）在钨片（9）上的投影斑点（11）从细缝（10）的一侧运动到另一侧；

1.6设电子束流（2）的电流密度分布函数为f(x,y)，则功率密度分布函数为g(x,y)=f(x,y)·U _a，其中U _a为电子束流（2）加速电压；细缝（10）宽度为d，由于d很小，假定在d区域内沿Y方向上的电流密度分布是均匀的，即在此区域内的电流密度分布与y无关，所以第i次正程扫描得到的电流密度分布简化为f _i (x)，已知电子束流（2）的偏转扫描速度为v：

其中I为t时刻进入细缝（10）的电子束流强度，V为t时刻的采集电压，R为采样电阻；

2.根据权利要求1所述的电子束流功率密度分布的微分测试方法，其特征在于采用高熔点的钨作为电子束偏转扫描的载体，钨片（9）的厚度为0.1mm~0.5mm，钨片（9）上细缝（10）在钨片（9）上的投影为长方形，其宽度为10um~50um，长度10mm~20mm。