CN106918834A - 电子束扫描轨迹的精确测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子束扫描轨迹的精确测量方法，包括以下步骤：（ⅰ）靶材的制备；（ⅱ）电子束扫描轨迹测量；（ⅲ）测量轨迹长度，建立数学关系；（ⅳ）应用验证。本发明通过对电子束扫描轨迹X轴向、Y轴向的分别测定，实现了二维平面任意扫描形状的精确控制，所提供的电子束扫描轨迹直接测量法，测量方法及测量工具简单实用，且测量精准度高，测量相对偏差小于2%。

Description

电子束扫描轨迹的精确测量方法

技术领域

本发明属于电子束的测量领域，具体涉及一种电子束扫描轨迹的精确测量方法。

背景技术

在电子束加热金属熔炼或蒸发过程中，电子枪发射的电子在加速电场的作用下，形成高速电子束流，高能电子束对物料表面进行轰击，电子束动能转化为热能，实现物料的加热。在大功率电子枪应用中，若电子束功率密度过高，容易出现局部温度过高，导致物料大量蒸发或局部穿孔等不良后果，故需要采用扫描电子束，降低电子束功率密度。实现电子束扫描的关键在于对电子束进行精确控制。电子束扫描方式采用两组磁感应线圈进行控制，一组对X轴向扫描进行控制，一组对Y轴向扫描进行控制，线圈中通入电流，所产生的磁场使电子束发生位移，其电流大小直接决定位移量，同时位移量还与装置的结构尺寸有关系。建立扫描电流幅值与位移量的关系，设计出一种合适的电子束扫描轨迹测量方法对电子束的精确控制极其重要。

以前电子束扫描轨迹通常采用X射线小孔成像法及照相法进行测量。X射线小孔成像法是利用小孔成像原理，电子枪轰击过程中产生的X射线在硫氧化钆感光片上感光成像，通过测量感光片上的图像尺寸，以及X射线小孔成像过程中光路间几何尺寸关系反推电子束的扫描轨迹。但在成像过程中，杂散的X射线也会在感光片上成像，对测量结果造成偏差，导致测量精度不高，且测量装置较复杂。照相法测量需要与参考标尺进行对比，但在成像过程中，由于电子束扫描范围温度高，亮度相应较大，而参考标尺所在位置则温度低，相应亮度也较差，导致成像清晰度较差，影响读数的准确性，对测量结果带来偏差，测量精准度较低。

因此，迫切需要设计一种方法简单、测量精准度高的电子束扫描轨迹测量方法。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中存在的电子束扫描轨迹测量方法较复杂，测量精准度不高的缺点而提出的，其目的是提供一种电子束扫描轨迹的精确测量方法。

本发明的技术方案是：

一种电子束扫描轨迹的精确测量方法，包括以下步骤：

（ⅰ）靶材的制备

选取熔点在600～1000℃之间的金属材料作为靶材原料，将靶材原料装入坩埚，放入真空装置抽真空，当真空度优于10^-3帕，开启电子枪轰击靶材，待靶材原料充分熔融，上表面为液态金属平面后停止加热，让其冷却凝固为金属锭；

（ⅱ）电子束扫描轨迹测量

将步骤（ⅰ）所得的金属锭作为电子束扫描轨迹测量用靶材，当真空度优于10^-3帕，开启电子枪电源，且开启X轴向或Y轴向的电子束扫描控制装置，在扫描电流幅值允许的范围内，任意设定X轴向或Y轴向扫描电流幅值；扫描参数设定完毕后，开启电子枪，轰击靶材，保持电子枪线功率密度在0.5～1KW/cm之间；电子束加热持续2分钟以上直至靶材表面留下清晰的印迹，然后停止加热；

采用上述方法，在X轴向及Y轴向分别测试不少于4个扫描电流幅值相对应的扫描印迹长度；

（ⅲ）测量轨迹长度，建立数学关系

待步骤（ⅱ）所用靶材金属锭冷却后，对真空容器曝空，采用游标卡尺直接测量金属锭表面扫描轨迹的长度，并与扫描电流幅值一一对应；按电子束扫描控制原理，扫描电流幅值及扫描长度之间为线性关系，通过测量测得直线斜率及截距，从而建立起扫描轨迹长度与扫描电流幅值之间的数学关系式；

（ⅳ）应用验证

根据步骤（ⅲ）建立的数学关系，确定给定二维平面上任意一点(x,y)所对应的电流幅值(I_x,I_y)，即可实现电子束在二维平面任意位置的扫描；设定扫描轨迹，开启电子枪在靶材表面进行扫描，电子枪加热过程中保持线功率密度在0.5～1KW/cm之间，持续1分钟以上直至靶材表面留下清晰的印迹，然后停止加热；采用游标卡尺测定设定值和实际值之间的偏差，评价方法的精准度。

本发明的有益效果是：

本发明通过对电子束扫描轨迹X轴向、Y轴向的分别测定，实现了二维平面任意扫描形状的精确控制，所提供的电子束扫描轨迹直接测量法，测量方法及测量工具简单实用，且测量精准度高，测量相对偏差小于2%。

附图说明

图1是本发明实施例1中X轴向扫描长度与电流幅值关系图；

图2是本发明实施例1中Y轴向扫描长度与电流幅值关系图；

图3是本发明实施例1中应用验证步骤中直径50mm圆的电子束扫描轨迹图。

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明电子束扫描轨迹的精确测量方法进行详细说明：

一种电子束扫描轨迹的精确测量方法，包括以下步骤：

（ⅰ）靶材的制备

选取熔点在600～1000℃之间的金属材料作为靶材原料，将靶材原料装入坩埚，放入真空装置抽真空，当真空度优于10^-3帕，开启电子枪轰击靶材，待靶材原料充分熔融，上表面为液态金属平面后停止加热，让其冷却凝固为金属锭；

靶材原料的选择：选取熔点在600～1000℃之间的金属材料作为靶材原料较为合适。金属靶材原料熔点过低，在电子束轻微的轰击下极易出现液态金属熔池，不利于形成清晰的扫描痕迹，而靶材原料熔点过高则需要较大的电子束功率轰击才能熔化，表明不易形成光滑的平面，同样不利于形成清晰的扫描痕迹。

（ⅱ）电子束扫描轨迹测量

将步骤（ⅰ）所得的金属锭作为电子束扫描轨迹测量用靶材，当真空度优于10^-3帕，开启电子枪电源，且开启X轴向或Y轴向的电子束扫描控制装置，在扫描电流幅值允许的范围内，任意设定X轴向或Y轴向扫描电流幅值；扫描参数设定完毕后，开启电子枪，轰击靶材，保持电子枪线功率密度在0.5～1KW/cm之间；保持此功率密度既可以让电子束直接扫描区域的靶材充分熔化，而又不至于形成熔池影响测量精度；电子束加热持续2分钟以上直至靶材表面留下清晰的印迹，然后停止加热；

采用上述方法，在X轴向及Y轴向分别测试不少于4个扫描电流幅值相对应的扫描印迹长度；测量的点越多，测量的准确性也会相应提高。

（ⅲ）测量轨迹长度，建立数学关系

待步骤（ⅱ）所用靶材金属锭冷却后，对真空容器曝空，采用游标卡尺直接测量金属锭表面扫描轨迹的长度，并与扫描电流幅值一一对应；按电子束扫描控制原理，扫描电流幅值及扫描长度之间为线性关系，通过测量测得直线斜率及截距，从而建立起扫描轨迹长度与扫描电流幅值之间的数学关系式y=ax+b；

（ⅳ）应用验证

根据步骤（ⅲ）建立的数学关系，确定给定二维平面上任意一点(x,y)所对应的电流幅值(I_x,I_y)，即可实现电子束在二维平面任意位置的扫描；设定扫描轨迹，开启电子枪在靶材表面进行扫描，电子枪加热过程中保持线功率密度在0.5～1KW/cm之间，持续1分钟以上直至靶材表面留下清晰的印迹，然后停止加热；采用游标卡尺测定设定值和实际值之间的偏差，评价方法的精准度。

实施例1

如图1~3所示，

一种电子束扫描轨迹的精确测量方法，包括以下步骤：

（ⅰ）靶材的处理

选取杂质含量小于0.5wt%，熔点为798℃的金属铈作为靶材原料，金属铈熔点高低较为合理，有利于电子束加热过程中充分熔融，同时也有利于形成清晰的扫描痕迹；

将金属铈装入水冷铜坩埚，对真空装置抽真空，当真空度优于10^-3帕，开启电子枪轰击靶材，保持电子枪功率密度大于4KW/cm²，时间大于10分钟，待金属铈充分熔融，上表面为液态金属平面后停止加热，关闭电子枪，但保持高真空及水冷系统，当冷却时间大于15分钟后，金属铈冷却凝固形成靶材金属锭；

（ⅱ）电子束扫描轨迹测量

将步骤（ⅰ）中金属铈冷却凝固形成的金属锭作为电子束扫描轨迹测量用靶材，待金属锭冷却充分后，开启电子枪X轴向扫描控制器，在扫描电流幅值允许的范围内，任意设定X轴向扫描电流幅值，本实施例中设定X轴向扫描电流幅值为20毫安，参数设定完毕后，开启电子枪，轰击靶材，保持电子枪线功率密度在0.5～1KW/cm之间，持续1分钟直至靶材表面留下印迹，然后停止加热。

重复上述步骤，分别设定X轴向扫描电流幅值为30、40、44.6、67毫安，Y轴向扫描电流幅值为15.1、20、30.1、35、50毫安，测试各扫描电流幅值相对应的扫描印迹长度；

（ⅲ）测量轨迹长度，建立数学关系

待步骤（ⅱ）所用靶材金属锭冷却后，对真空装置充气曝空，采用游标卡尺直接测量金属锭表面扫描轨迹的长度，并与扫描电流幅值一一对应；对测定的数值进行线性拟合，建立扫描轨迹长度及扫描电流幅值之间的数学关系；

图1为X轴向扫描长度与电流幅值关系图；图2为Y轴向扫描长度与电流幅值关系图，其中的点为实际测量值，线为拟合直线；根据拟合公式可以分别建立X轴向、Y轴向实际长度与扫描电流幅值的数学关系，X轴向关系式为：y=1.04039x-4.14848,Y轴向关系式为：y=0.81495x+2.6188，关系式中x为扫描电流幅值，y为电子束扫描长度；

（ⅳ）应用验证

根据步骤（ⅲ）建立的数学关系，可以给定二维平面上任意一点(x,y)所对应的扫描电流幅值(I_x,I_y)，即可实现电子束在二维平面任意位置的扫描；

为了验证测量方法的精准度，本实施例中设定电子束扫描轨迹为直径50毫米的圆，图3为直径50mm圆的电子束扫描轨迹图，轨迹由圆周上50个均匀分布的点连接为一个整体。开启电子枪进行扫描加热，电子枪加热过程中功率保持在10KW,线功率密度为0.64KW/cm，持续1分钟以上,直至铈锭表面留下清晰的印迹，然后停止加热。待金属铈形成的金属锭充分冷却后，对真空容器曝空，采用游标卡尺测定电子束所扫描圆的直径变化，圆直径测量最大值为51mm,最小值为49mm,与设定值50mm偏差为±1mm,测量值与设定值相对偏差为±2%。结果表明，测量方法精准度高，运用该测量结果可以实现对电子束的精确控制。

Claims (1)

1.一种电子束扫描轨迹的精确测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

（ⅰ）靶材的制备

选取熔点在600～1000℃之间的金属材料作为靶材原料，将靶材原料装入坩埚，放入真空装置抽真空，当真空度优于10^-3帕，开启电子枪轰击靶材，待靶材原料充分熔融，上表面为液态金属平面后停止加热，让其冷却凝固为金属锭；

（ⅱ）电子束扫描轨迹测量

将步骤（ⅰ）所得的金属锭作为电子束扫描轨迹测量用靶材，当真空度优于10^-3帕，开启电子枪电源，且开启X轴向或Y轴向的电子束扫描控制装置，在扫描电流幅值允许的范围内，任意设定X轴向或Y轴向扫描电流幅值；扫描参数设定完毕后，开启电子枪，轰击靶材，保持电子枪线功率密度在0.5～1KW/cm之间；电子束加热持续2分钟以上直至靶材表面留下清晰的印迹，然后停止加热；

采用上述方法，在X轴向及Y轴向分别测试不少于4个扫描电流幅值相对应的扫描印迹长度；

（ⅲ）测量轨迹长度，建立数学关系

待步骤（ⅱ）所用靶材金属锭冷却后，对真空容器曝空，采用游标卡尺直接测量金属锭表面扫描轨迹的长度，并与扫描电流幅值一一对应；按电子束扫描控制原理，扫描电流幅值及扫描长度之间为线性关系，通过测量测得直线斜率及截距，从而建立起扫描轨迹长度与扫描电流幅值之间的数学关系式；

（ⅳ）应用验证

根据步骤（ⅲ）建立的数学关系，确定给定二维平面上任意一点(x,y)所对应的电流幅值(I_x,I_y)，即可实现电子束在二维平面任意位置的扫描；设定扫描轨迹，开启电子枪在靶材表面进行扫描，电子枪加热过程中保持线功率密度在0.5～1KW/cm之间，持续1分钟以上直至靶材表面留下清晰的印迹，然后停止加热；采用游标卡尺测定设定值和实际值之间的偏差，评价方法的精准度。