CN106340339A - 电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法及系统，电子束加工设备在加速电压和电子束流稳定的工况下，先通过调节聚焦电流从最小值逐渐增大最大值，并记录渐大过程中的本次渐大离散变化过程中的最大二次电子信号值所对应的聚焦电流值If0+，再通过调节聚焦电流从最大值逐渐增大最小值，并记录渐小离散变化过程中的最大二次电子信号值所对应的聚焦电流值If0‑，后根据聚焦电流值If0+和If0‑计算确定电子束聚焦于金属试件表面上的聚焦电流值If0，并将该聚焦电流值If0作为聚焦电流设定值，使得聚焦实际工作电流稳定于此值。本发明可以快速、精确地获取聚焦电流值。

Description

电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法及系统
技术领域
本发明涉及电子束加工设备技术领域，具体涉及一种电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法及系统。
背景技术
电子束加工设备中用磁透镜磁场对电子束产生洛伦兹力，使电子束导向并调节其外形，从而达到让电子束会聚的目的。目前，磁透镜磁场一般由磁聚焦装置所产生，该磁聚焦系统主要由励磁绕组和供电电源组成。励磁绕组产生的磁场在电子束通道中的方向与电子束飞行方向平行，励磁绕组与供电电源相连。供电电源为可调直流电源，由于励磁绕组对于励磁电流的精度一般要求较高(偏差≤0.05％)，因此供电电源中需采用低温漂精密电阻作为励磁电流的检测元件，并配合采用恒流控制方法，才能达到励磁电流的精度要求。
目前电子束加工设备运行过程聚焦电流的确定是通过试验获得，具体是由操作者一边调节聚焦电流一边通过光学观察系统观察电子束斑的变化，以经验为依据判断聚焦电流。这种方法操作简便，却存在较大的缺陷：
1、人为经验判断依据，缺乏可量化的判断参数，主观随机性大。
2、光学观察系统易被污染，影响观察判断。
3、试验过程电子束在试验件上逐渐“钻孔”，电子束落入“孔内”，进一步影响电子束焦点的判断。
随着电子束加工设备的性能要求越来越高，人为经验寻找聚焦电流的方法将被淘汰，需要建立一套可量化参数的判断聚焦电流的方法，以便快速、精确地获取聚焦电流值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有通过人为经验获得聚焦电流的方法所存在的精度不高的问题，提供一种电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法及系统。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法，包括如下步骤：
步骤1、在真空工作室内放置金属试件，金属试件的上表面与希望电子束聚焦于某高度平面平齐；
步骤2、设定聚焦电流的最小值Ifmin、最大值Ifmax和离散变化步距δf；
步骤3、以离散变化步距δf为步长，将聚焦电流由最小值Ifmin离散线性变化到最大值Ifmax，记录每一离散点的聚焦电流值If及其对应的二次电子信号值Ie，并获得本次渐大离散变化过程中的最大二次电子信号值Iemax+所对应的聚焦电流值If0+；
步骤4、以离散变化步距δf为步长，将聚焦电流由最大值Ifmax离散线性变化到最小值Ifmin，记录每一离散点的聚焦电流值If及其对应的二次电子信号值Ie，并获得本次渐小离散变化过程中的最大二次电子信号值Iemax-所对应的聚焦电流值If0-；
步骤5、根据步骤3所获得的聚焦电流值If0+和步骤4所获得的聚焦电流值If0+，计算确定电子束聚焦于金属试件9表面上的聚焦电流值If0，即
I f 0 = I f 0 - + I f 0 + 2 ;
步骤6、将步骤5所计算出的聚焦电流值If0作为聚焦电流设定值，通过调节聚焦电源，使得聚焦实际工作电流稳定于此值。
上述步骤2中，设定的聚焦电流的离散变化步距δf为1个聚焦电流数字设定最小分辨率值。
在步骤3的渐大离散变化过程中和步骤4的渐小离散变化过程中，通过闭环控制，使得加速电压始终稳定于设定的试验加速电压值Ua且电子束流稳定于设定的试验电子束流值Ib。
上述方案中，试验加速电压值Ua按工作电压要求进行设定，一般为额定电压；试验电子束流值Ib的取值范围0.05～5mA。
在步骤3的渐大离散变化过程中和步骤4的渐小离散变化过程中，电子束斑点在金属试件表面上环绕原始位置以设定的扫描频率，进行半径R的圆扫描。
上述方案中，电子束的扫描频率的取值范围10～1000Hz；电子束的扫描半径R的取值范围2～10mm。
电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定系统，由中央控制单元、电子束发生器电源、聚焦电源、偏扫电源、变送器、电子枪、真空工作室和二次电子收集器组成。中央控制单元用于承担整台设备的控制与监测，对电子束加工设备运行参数具有数字设定和数字采样功能，并能运行权利要求1所述的电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法软件。电子束发生器电源接受中央控制单元控制，并提供电子束发生器的驱动电源。聚焦电源接受中央控制单元控制，并提供聚焦装置中聚焦绕组的驱动电源。偏扫电源接受中央控制单元控制，并提供偏扫装置中x偏扫绕组和y偏扫绕组的驱动电源。变送器接受二次电子收集器信号，并通过整形放大送达中央控制单元。电子枪为产生电子束的装置，在电子枪中由上到下依次同轴分布电子束发生器、聚焦装置和偏扫装置。真空工作室位于电子枪的正下方。二次电子收集器安装在真空工作室内部，电子束入口处。二次电子收集器接收电子束扫描过程产生的二次电子信息。金属试件放置在真空工作室内电子束入口正下方，金属试件上表面与希望电子束聚焦于某高度平面平齐。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1、建立一套可量化参数的判断聚焦电流的方法，以便快速、精确地获取聚焦电流值。
2、试验过程避免了电子束在试验件上逐渐“钻孔”。
附图说明
图1为电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定系统的结构示意图。
图2为二次电子与聚焦电流关系图。
图3为表面聚焦电流自动整定过程电子束扫描示意图。
图4为电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法的步骤图。
图中标记：1、中央控制单元；2、电子束发生器电源；3、聚焦电源；4、偏扫电源；5、变送器；6、电子枪；61、电子束发生器；62、聚焦装置；63、偏扫装置；7、真空工作室；8、二次电子收集器；9、金属试件。
具体实施方式
一种电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定系统，如图1所示，由中央控制单元1、电子束发生器电源2、聚焦电源3、偏扫电源4、变送器5、电子枪6、真空工作室7和二次电子收集器8组成。
中央控制单元1：承担整台设备的控制与监测，对电子束加工设备运行参数具有数字设定和数字采样功能，并配置实现聚焦电流自动整定的程序。
电子束发生器电源2：包括电子束发生器61的阴极加热电源、电子束的加速高压电源和电子束控制栅偏电源。中央控制单元1经电子束发生器电源2连接电子枪6的电子束发生器61。
聚焦电源3：提供聚焦装置62中聚焦绕组的驱动电源。中央控制单元1经聚焦电源3连接电子枪6的聚焦装置62。
偏扫电源4：提供偏扫装置63中x偏扫绕组和y偏扫绕组的驱动电源。中央控制单元1经偏扫电源4连接电子枪6的偏扫装置63。
变送器5：接收二次电子收集器8信号，通过整形放大送达中央控制单元1。
电子枪6：产生电子束的装置，在电子枪6中由上到下依次同轴分布电子束发生器61、聚焦装置62和偏扫装置63。
真空工作室7：由25～30mm厚的钢板焊接加工而成，真空工作室7的壁、门及壁、门上所开的窗和孔都需能耐1个大气压力，同时具备真空密封和防X射线泄漏功能。真空工作室7位于电子枪6的正下方。
二次电子收集器8：二次电子收集器8安装在真空工作室7内部，电子束入口处；二次电子收集器8接收电子束扫描过程产生的二次电子信息。
金属试件9：金属试件9放置在真空工作室7内电子束入口正下方，金属试件9上表面与希望电子束聚焦于某高度平面平齐。
本发明电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法的原理如下：
电子束加工设备在加速电压稳定于Ua值以及电子束流稳定于Ib值的工况下，电子束离开电子枪6后射到其飞行路线上某一金属试件9平面上产生二次电子，二次电子信号值Ie与聚焦电流If的关系如图2所示，聚焦电流If从最小值Ifmin逐渐增大最大值Ifmax，二次电子信号值Ie开始随着聚焦电流If增大而增大，聚焦电流If达到一定数值If0后，二次电子信号值Ie反而随着聚焦电流If增大而减小。即聚焦电流If从最小值Ifmin逐渐增大最大值Ifmax过程，二次电子信号值Ie存在一个极大值Iemax。根据理论和实践经验表明二次电子信号值极大值Iemax所对应的聚焦电流If0就是电子束聚焦于上述金属试件9平面所需的聚焦电流。为了避免电子束在金属试件9表面“钻孔”，电子束在金属试件9表面上环绕原始位置(o点，扫描电流为零时电子束射在金属试件9表面上的电子束斑的中心点)进行半径为R的快速圆扫描，如图3所示。
上述系统所实现的一种电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法，如图4所示，具体包括如下步骤：
第一步：准备工作。
①在真空工作室7内放置金属试件9，金属试件9的上表面与希望电子束聚焦于某高度平面平齐。
②关闭工作室门，启动真空机组对电子枪6室及真空工作室7抽气。
③设定参数：加速电压Ua按工作电压要求设定，一般为额定电压；试验电子束流Ib取值范围0.05～5mA；最小聚焦电流Ifmin和最大聚焦电流Ifmax按电子束加工设备实际要求设定；聚焦电流If离散变化步距δf设定为1个聚焦电流数字设定最小分辨率值；电子束扫描半径R取值范围2～10mm，扫描频率取值范围10～1000Hz。
④电子枪6室及真空工作室7真空条件满足后，选择聚焦电流自动整定工作状态，启动电子枪各电源，进入第二步。
第二步：试验确定电子束在金属试件9表面上二次电子信号值Ie与聚焦电流If的关系。加速电压通过闭环控制稳定于Ua值，电子束流通过闭环控制稳定于Ib值。电子束斑点在金属试件9表面上环绕原始位置以半径R快速圆扫描。
①聚焦电流由最小值Ifmin到最大值Ifmax离散线性变化，离散变化步距为δf，记录每一离散点聚焦电流If及其对应的二次电子信号值Ie，检测最大二次电子信号Iemax+所对应的聚焦电流值If0+。
②聚焦电流由最大值Ifmax到最小值Ifmin离散线性变化，离散变化步距为δf，记录每一离散点聚焦电流If及其对应的二次电子信号值Ie，检测最大二次电子信号Iemax-所对应的聚焦电流值If0-。
第三步：计算确定电子束聚焦于金属试件9表面上的聚焦电流值If0，即：
I f 0 = I f 0 - + I f 0 + 2
保持此计算值If0作为聚焦电流设定值，通过聚焦电源调节系统使得聚焦实际工作电流稳定于此值。
通过本发明的方法可以快速精确地获得电子束聚焦于在某一高度平面所需的聚焦电流值，也可以通过本发明的方法建立电子束加工设备在不同工作高度所需聚焦电流的专家数据库。

Claims (7)

1.电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤1、在真空工作室(7)内放置金属试件(9)，金属试件(9)的上表面与希望电子束聚焦于某高度平面平齐；
步骤2、设定聚焦电流的最小值Ifmin、最大值Ifmax和离散变化步距δf；
步骤3、以离散变化步距δf为步长，将聚焦电流由最小值Ifmin离散线性变化到最大值Ifmax，记录每一离散点的聚焦电流值If及其对应的二次电子信号值Ie，并获得本次渐大离散变化过程中的最大二次电子信号值Iemax+所对应的聚焦电流值If0+；
步骤4、以离散变化步距δf为步长，将聚焦电流由最大值Ifmax离散线性变化到最小值Ifmin，记录每一离散点的聚焦电流值If及其对应的二次电子信号值Ie，并获得本次渐小离散变化过程中的最大二次电子信号值Iemax-所对应的聚焦电流值If0-；
步骤5、根据步骤3所获得的聚焦电流值If0+和步骤4所获得的聚焦电流值If0+，计算确定电子束聚焦于金属试件9表面上的聚焦电流值If0，即
I f 0 = I f 0 - + I f 0 + 2 ;
步骤6、将步骤5所计算出的聚焦电流值If0作为聚焦电流设定值，通过调节聚焦电源(3)，使得聚焦实际工作电流稳定于此值。
2.根据权利要求1所述的电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法，其特征是，步骤2中，设定的聚焦电流的离散变化步距δf为1个聚焦电流数字设定最小分辨率值。
3.根据权利要求1所述的电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法，其特征是，在步骤3的渐大离散变化过程中和步骤4的渐小离散变化过程中，通过闭环控制，使得加速电压始终稳定于设定的试验加速电压值Ua且电子束流稳定于设定的试验电子束流值Ib。
4.根据权利要求3所述的电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法，其特征是，试验加速电压值Ua按工作电压要求进行设定；试验电子束流值Ib的取值范围0.05～5mA。
5.根据权利要求1所述的电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法，其特征是，在步骤3的渐大离散变化过程中和步骤4的渐小离散变化过程中，电子束斑点在金属试件(9)表面上环绕原始位置以设定的扫描频率，进行半径R的圆扫描。
6.根据权利要求5所述的电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法，其特征是，电子束的扫描频率的取值范围10～1000Hz；电子束的扫描半径R的取值范围2～10mm。
7.电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定系统，其特征是，由中央控制单元(1)、电子束发生器电源(2)、聚焦电源(3)、偏扫电源(4)、变送器(5)、电子枪(6)、真空工作室(7)和二次电子收集器(8)组成；
中央控制单元(1)用于承担整台设备的控制与监测，对电子束加工设备运行参数具有数字设定和数字采样功能，并运行权利要求1所述的电子束加工设备工件表面聚焦电流自动整定方法；
电子束发生器电源(2)接受中央控制单元(1)控制，并提供电子束发生器(61)的驱动电源；
聚焦电源(3)接受中央控制单元(1)控制，并提供聚焦装置(62)中聚焦绕组的驱动电源；
偏扫电源(4)接受中央控制单元(1)控制，并提供偏扫装置(63)中x偏扫绕组和y偏扫绕组的驱动电源；
变送器(5)接受二次电子收集器(8)信号，并通过整形放大送达中央控制单元(1)；
电子枪(6)为产生电子束的装置，在电子枪(6)中由上到下依次同轴分布电子束发生器(61)、聚焦装置(62)和偏扫装置(63)；
真空工作室(7)位于电子枪(6)的正下方；
二次电子收集器(8)安装在真空工作室(7)内部，电子束入口处；二次电子收集器(8)接收电子束扫描过程产生的二次电子信息；
金属试件(9)放置在真空工作室(7)内电子束入口正下方，金属试件(9)上表面与希望电子束聚焦于某高度平面平齐。
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