CN111477529A - 自动消像散电子枪及电子枪自动消像散方法 - Google Patents

自动消像散电子枪及电子枪自动消像散方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开自动消像散电子枪及电子枪自动消像散方法，采用分裂式罗柯夫斯基线圈作为检测元件，结合脉冲电子束技术，实现了电子束斑点形貌的无接触检测。分裂式罗柯夫斯基线圈以差模信号输出，以检测信号的最小值为消像散装置校正目标，既简化了检测信号的处理方式又消除了共模干扰信号的影响，提高检测的灵敏性和精度。分轴搜寻“最佳”消像散装置的励磁电流，实现快速搜寻。检测信号的幅值及平均值的加权值更能充分体现电子束斑点形貌的差异，以加权值综合数据作为判断依据，“最佳”值的两轮搜寻确认，进一步提高可靠性及减少随机性。

Description

自动消像散电子枪及电子枪自动消像散方法
技术领域
本发明涉及电子束加工设备技术领域，具体涉及一种自动消像散电子枪及电子枪自动消像散方法。
背景技术
电子束加工设备的电子枪由于机加工的误差引起电子束与透镜不同轴、极靴材料不均匀、电极或磁极的边沿效应及污染电荷等原因，导致电子束在工作平面上各方向的聚焦不一致，形不成圆形电子束斑，即产生了像散。在电子枪中利用消像散装置对电子束斑的形貌进行校正，目前是以微小电子束进行校正，通过光学观察由人为经验判断校正最佳状态。
在电子束焊机、电子束打孔机、电子束增材制造装备等电子束加工设备中电子枪的功率都比较大，电子束斑形貌校正过程所用电子束远小于加工过程的电子束，电子束斑形貌并没按照电子束的大小成比例缩放，常规基于经验法消像散的效果随机性较大难以达到最佳状态。为了提高消像散装置校正电子束斑形貌的效果，可用加工过程的实际电子束值作为电子束斑形貌校正过程的电子束值，并根据检测电子束斑形貌信息自动探寻电子束斑形貌最佳形貌所对应的消像散装置绕组励磁电流。
实现自动消像散控制首先要解决电子束斑形貌的检测问题，针对功率较大的电子束加工设备，电子束斑形貌的检测元件必须是与电子束非接触式的才能重复使用，满足电子束加工设备的生产要求。
发明内容
本发明所要解决的是现有消像散装置的效果随机性较大，且难以达到最佳状态的问题，提供自动消像散电子枪及电子枪自动消像散方法。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
自动消像散电子枪，包括中央控制器、电子源电源、驱动电源和电子枪本体；电子束发生器、消像散装置和聚焦装置自上而下设置在电子枪本体内；消像散装置包括两相消像散绕组，这两相消像散绕组组成多对磁极轴对称结构；中央控制器的电子束控制电压信号输出端连接电子源电源的控制输入端，电子源电源的输出端连接电子束发生器；中央控制器的第一消像散控制电压信号输出端连接驱动电源的第一控制输入端，驱动电源的第一输出端连接消像散装置的第一消像散绕组；中央控制器的第二消像散控制电压信号输出端连接驱动电源的第二控制输入端，驱动电源的第二输出端连接消像散装置的第二消像散绕组；其不同之处是：还进一步包括检测装置和信号处理电路；检测装置设置在电子枪本体内，并位于聚焦装置正下方的电子束出口端；检测装置包括骨架和四组检测绕组；骨架为非导磁绝缘材料的环状结构；四组绕组的匝数及线径都相同，并同时绕制在骨架上且呈均匀对称分布；第一检测绕组和第三检测绕组在骨架上径向相对设置，且第一检测绕组的末端与第三检测绕组的首端相连；第二检测绕组和第四检测绕组在骨架上径向相对设置，且第二检测绕组的末端和第四检测绕组的首端相连；检测装置的第一检测绕组的首端与第二检测绕组的首端相连再接至信号处理电路的公共输入端，检测装置的第三检测绕组的末端接至信号处理电路的第二输入端，检测装置的第四检测绕组的末端接至信号处理电路的第一输入端；信号处理电路的输出端连接中央控制器的输入端。
上述信号处理电路由运算放大器A1-A2、电阻R1-R8和电容C组成；电阻R1的一端形成信号处理电路的第一输入端，电阻R2的一端形成信号处理电路的第二输入端，电阻R3的一端与信号公共点相连后，形成信号处理电路的公共输入端；电阻R1的另一端接运算放大器A1的反相输入端；电阻R2和电阻R3的另一端同时接运算放大器A1的同相输入端；电阻R4的一端接运算放大器A1的反向输入端，电阻R4的另一端接运算放大器A1的输出端；运算放大器A1的输出端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端同时连接电容C和电阻R6的一端；电容C的另一端与电阻R7的一端同时连接信号公共点，电阻R7的另一端接运算放大器A2的同相输入端；电阻R6的另一端接运算放大器A2的反相输入端；电阻R8的一端接运算放大器A2的反向输入端，电阻R8的另一端接运算放大器A2的输出端；运算放大器A2的输出端形成信号处理电路的输出端。
上述信号处理电路中，电阻R1和R2的阻值相同，电阻R3和R4的阻值相同，电阻R5和R6的阻值相同，电阻
Figure BDA0002498337480000021
上述检测装置的骨架为非导磁绝缘材料制成。
上述自动消像散电子枪所实现的电子枪自动消像散方法，包括如下步骤：
步骤1、初始化：设定第一消像散绕组的励磁电流控制优选数据DRmin的初值，设定第二消像散绕组的励磁电流控制优选数据DTmin的初值，设定调节偏差ΔDRT的初值；设定调节偏差ΔDRT的缩小系数λ，其中0＜λ＜1；设定脉冲电子束控制电压信号UBS和持续时间τ；设定采样周期μ；设定迭代阈值η，其中η为≥1的整数；
步骤2、试验寻求在消像散装置无励磁电流状态下原始电子束斑形貌综合数据；即：
起动电子束加工设备，中央控制器将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR和第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT均置为0，使得消像散装置的励磁电流为0；中央控制器输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000023
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000022
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(0)。
步骤3、试验寻求第一消像散绕组的励磁电流控制优选数据DRmin；即：
步骤3.1、中央控制器将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR置为DRmin+ΔDRT，将第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT置为DTmin，改变消像散装置的励磁电流；中央控制器输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000031
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000032
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(1)；
步骤3.2、中央控制器将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR置为DRmin-ΔDRT，将第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT置为DTmin，改变消像散装置的励磁电流；中央控制器输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000033
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000034
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(2)；
步骤3.3、中央控制器比较电子束斑形貌综合数据DZmin(0)、DZmin(1)和DZmin(2)的大小：
若DZmin(0)为最小，将DZmin(0)值赋予DZmin(3)，且DRmin不变；
若DZmin(1)为最小，将DZmin(1)值赋予DZmin(3)，且将DRmin+ΔDRT值赋予DRmin；
若DZmin(2)为最小，将DZmin(2)值赋予DZmin(3)，且将DRmin-ΔDRT值赋予DRmin。
步骤4、试验寻求第二消像散绕组的励磁电流控制优选数据DTmin；即：
步骤4.1、中央控制器将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR置为DRmin，将第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT置为DTmin+ΔDTR，改变消像散装置的励磁电流；中央控制器输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000038
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000037
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(4)；
步骤4.2、中央控制器将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR置为DRmin，将第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT置为DTmin-ΔDTR，改变消像散装置的励磁电流；中央控制器输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000035
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000036
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(5)；
步骤4.3、中央控制器比较电子束斑形貌综合数据DZmin(3)、DZmin(4)和DZmin(5)的大小：
若DZmin(3)为最小，将DZmin(3)值赋予DZmin(6)，且DTmin不变；
若DZmin(4)为最小，将DZmin(4)值赋予DZmin(6)，且将DTmin+ΔDRT值赋予DTmin；
若DZmin(5)为最小，将DZmin(5)值赋予DZmin(6)，且将DTmin-ΔDRT值赋予DTmin。
步骤5、判断综合数据是否到达最小值；即：
中央控制器比较电子束斑形貌综合数据DZmin(6)和DZmin(0)的大小：
若DZmin(6)＜DZmin(0)，则先将结束标志K置0值；再将DZmin(6)值赋予DZmin(0)，且将λ×ΔDRT值赋予ΔDRT后，转回步骤3；
若DZmin(6)≥DZmin(0)，则先将结束标志K值加1；再进一步判断结束标志K是否小于η：
如果是，则DZmin(0)不变，且将λ×ΔDRT值赋予ΔDRT，转回步骤3；
否则，将上述过程最终获得的第一消像散绕组的励磁电流控制优选数据DRmin存储为最终的第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR，将第二消像散绕组的励磁电流控制优选数据DTmin存储为最终的第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT，完成电子枪自动消像散试验。
上述步骤1中，将第一消像散绕组的励磁电流控制优选数据DRmin初值为0，将第二消像散绕组的励磁电流控制优选数据DTmin为0，将第一消像散绕组和第二消像散绕组的励磁电流控制数据调节偏差ΔDRT初值为0.5×DRTM；其中DRTM为消像散绕组的阈值，即-DRTM≤DR≤DRTM、-DRTM≤DT≤DRTM。
在一个脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，信号处理电路的输出电压信号UA的n个采样数据为DA1、DA2、…、DAn，则这些采样数据的
最大绝对值DAmax为：
DAmax＝max[|DA1|,|DA2|,…,|DAn|]
绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000041
为：
Figure BDA0002498337480000042
其中：
Figure BDA0002498337480000043
τ为脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间，μ为采样周期。
上述电子束斑形貌综合数据DZ为：
Figure BDA0002498337480000044
其中：DAmax、
Figure BDA0002498337480000045
分别为一个脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内信号处理电路的输出电压信号UA采样数据的最大绝对值和绝对值平均值，α为绝对值平均值
Figure BDA0002498337480000046
的给定加权值，0≤α≤1。
与现有技术相比，本发明基于非接触式电子束斑形貌检测元件的自动消像散电子枪，利用加工过程的实际电子束值作为电子束斑形貌校正过程的电子束值，并根据检测电子束斑形貌信息自动探寻电子束斑形貌最佳形貌所对应的消像散装置绕组励磁电流，从而达到提高校正电子束斑形貌的效果的目的。
附图说明
图1为本发明提供的自动消像散电子枪的结构示意图；
图2为图1中检测装置的结构示意图；
图3为图1中信号处理电路原理图；
图4为本发明提供的电子枪自动消像散方法的流程图；
图5为电子枪自动消像散信号图。
图中标号：1-中央控制器，2-电子源电源，3-驱动电源，4-信号处理电路，5-电子束发生器，6-消像散装置，7-聚焦装置，8-检测装置，81-第一检测绕组，82-第二检测绕组，83-第三检测绕组，84-第四检测绕组，85-骨架，9-电子束,10-工件，11-电子枪本体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
参见图1，一种自动消像散电子枪，主要由中央控制器1、电子源电源2、驱动电源3、信号处理电路4、电子束发生器5、消像散装置6、聚焦装置7和检测装置8组成。
电子束发生器5：阴极电源加热阴极至饱和发射，电子加速电源在阴极与阳极间产生加速电场，阴极发射的电子束9在加速电场的作用下由阳极孔喷射而出，电子束9的大小由栅偏电压控制。电子束发生器5所发出的电子束9入射到工件10上。
消像散装置6：由第一消像散绕组(即R相绕组)和第二消像散绕组(即T相绕组)组成。第一消像散绕组和第二消像散绕组组成多对磁极轴对称结构。本发明的消像散装置6可以沿用现有的消像散装置6。第一消像散绕组和第二消像散绕组接至驱动电源3的输出端，消像散装置6安装在电子枪中阳极与聚焦装置7之间，电子束9通过消像散装置6时，消像散装置6内部不均匀磁场对电子束9包络进行多方向的作用，从而改变电子束9斑的形貌。
聚焦装置7：属于电子枪的必要构件，用于调节电子束9斑的焦点在轴向上的位置。
检测装置8：由第一检测绕组81、第二检测绕组82、第三检测绕组83、第四检测绕组84和骨架85组成，参见图2。骨架85为轴对称环状结构，骨架85材料为非导磁绝缘。第一检测绕组81、第二检测绕组82、第三检测绕组83、第四检测绕组84的匝数都为N且线径相同。第一检测绕组81、第二检测绕组82、第三检测绕组83、第四检测绕组84绕制在骨架85上呈均匀对称分布，第一检测绕组81和第三检测绕组83的轴线在x轴线上，第一检测绕组81的末端与第三检测绕组83的首端相连。第二检测绕组82和第四检测绕组84的轴线在垂直的y轴线上，第二检测绕组82的末端与第四检测绕组84的首端相连。第一检测绕组81的首端与第二检测绕组82的首端相连再接至信号处理电路4的公共输入端C1，第三检测绕组83的末端接至信号处理电路4的第二输入端A+，第四检测绕组84的末端接至信号处理电路4的第一输入端A-；检测装置8安装在电子枪的电子束9出口端，当脉冲电子束9通过检测装置8时，电子束9形成的空间电荷电流产生变化磁场，变化磁场在第一检测绕组81、第二检测绕组82、第三检测绕组83、第四检测绕组84中分别感应出感应电动势e1、e2、e3、e4，即
Figure BDA0002498337480000061
(i＝1、2、3、4，φi为通过第i检测绕组的磁通)，第一检测绕组81和第三检测绕组83的感应电动势叠加成电压信号UA+(UA+＝e1+e3),第二检测绕组82和第四检测绕组84的感应电动势叠加成电压信号UA-(UA-＝e2+e4)，若电子束9包络为轴对称形状从检测装置8的中心通过时φ1＝φ2＝φ3＝φ4，则e1＝e2＝e3＝e4及UA+＝UA-，若电子束9为非轴对称形状时，则UA+≠UA-，通过调节消像散装置6的励磁电流IR和IT使得UA+与UA-的差值为最小，则判定电子束9斑处于最佳校正状态。
中央控制器1：作为电子束9加工设备的总控制装置。中央控制器1将电子束9控制数据DBS经D/A转换成电压信号UBS，电压信号UBS送至电子源电源2的栅偏电源的调节电路的控制输入端；中央控制器1将消像散装置6励磁电流控制数据DR和DT分别经D/A转换成电压信号UR和电压信号UT,电压信号UR和电压信号UT送至驱动电源3的控制输入端；中央控制器1接收信号处理电路4的输出电压信号UA，将电压信号UA进行A/D转换成采样数据DA；中央控制器1通过设定电子束9控制数据DBS改变电压信号UBS的幅值及脉冲持续时间τ，实现脉冲电子束9控制；中央控制器1在脉冲电子束控制信号UBS的持续时间τ内对电压信号UA进行高速采样，然后确定电压信号UA的采样数据DA的最大绝对值DAmax及计算电压信号UA的采样数据DA绝对值平均值数据
Figure BDA0002498337480000062
最后计算电子束斑形貌的综合数据
Figure BDA0002498337480000063
其中0≤α≤1；中央控制器1通过改变消像散装置6的R相和T相励磁电流控制数据DR和DT，计算电子束斑形貌的综合数据DZ，当综合数据DZ达到最小值时消像散装置6励磁电流电流控制数据DR和DT即作为工作数据。
电子源电源2：包含电子加速电源、阴极加热电源、栅偏电源。电子加速电源采用稳压控制，电子加速电源的正输出端与电子束发生器5的阳极相接并接地，电子加速电源的负输出端、栅偏电源的正输出端、阴极加热电源一输出端相连接，阴极加热电源的输出接至电子束发生器5的阴极，栅偏电源的负输出端接至电子束发生器5的栅极；栅偏电源用于调节电子束9的大小，栅偏电源的调节电路的控制输入信号为来自中央控制器1的UBS信号，栅偏电源的调节电路自动调节栅偏电源输出电压的大小使得电子束9跟随UBS信号变化。
驱动电源3：有两路结构相同的电流放大电路组成，其中一路的输入控制信号为来自中央控制器1的电压信号UR，输出正比于电压信号UR的电流IR送入消像散装置6的第一消像散绕组；另一路的输入控制信号为来自中央控制器1的电压信号UT，输出正比于电压信号UT的电流IT送入消像散装置6的第二消像散绕组。
信号处理电路4：由运算放大器A1-A2、电阻R1-R8和电容C组成，参见图3。电阻R1的一端形成信号处理电路4的第一输入端A-，电阻R2的一端形成信号处理电路4的第二输入端A+，电阻R3的一端接信号公共点C2并形成信号处理电路4的公共输入端C1；电阻R1的另一端接运算放大器A1的反相输入端；电阻R2的另一端和电阻R3的另一端同时接运算放大器A1的同相输入端；电阻R4的一端接运算放大器A1的反向输入端，电阻R4的另一端接运算放大器A1的输出端。运算放大器A1的输出端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端同时连接电容C和电阻R6的一端；电容C的另一端与信号公共点C2相接，电阻R7的一端接运算放大器A2的同相输入端，电阻R7的另一端接信号公共点C2；电阻R6的另一端接运算放大器A2的反相输入端；电阻R8的一端接运算放大器A2的反向输入端，电阻R8的另一端接运算放大器A2的输出端；运算放大器A2的输出端形成信号处理电路4的输出端A，信号处理电路4的信号公共点输出端为C2端。运算放大器A1、电阻R1、电阻R2、电阻R3和电阻R4组成差分放大电路，其中R1＝R2，R3＝R4，
Figure BDA0002498337480000071
运算放大器A2、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8和电容C组成反相滤波整形电路，其中R5＝R6，
Figure BDA0002498337480000072
差分放大电路的输入连接检测装置8的输出，滤波整形电路的输入信号为差分放大电路的输出电压信号UA1，滤波整形电路的传递函数为
Figure BDA0002498337480000073
其中s为传递函数的复变量，滤波整形电路的输出电压信号UA送入中央控制器1。
上述所自动消像散电子枪所实现的电子枪自动消像散方法，如图4所示，其工作步骤为：
步骤1：试验寻求原始电子束斑形貌综合数据：
步骤11：初始化：
定义在脉冲电子束控制信号UBS幅值为Bm的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路4的输出电压信号UA进行n(n≥10)次采样的数据为DA1、DA2、…、DAn；这n次采样的最大绝对值为DAmax，DAmax＝max[|DA1|,|DA2|,…,|DAn|]；这n次采样的绝对值平均值为
Figure BDA0002498337480000081
Figure BDA0002498337480000082
定义电子束斑形貌综合数据
Figure BDA0002498337480000083
其中α为
Figure BDA0002498337480000084
的加权值(0≤α≤1)。
定义电子束斑形貌综合数据DZ的优选值为DZmin，对应DZmin的消像散装置6的R相和T相励磁电流控制优选数据分别为DRmin和DTmin。
设定消像散装置6的R相和T相励磁电流控制数据DR和DT的定义域为-DRTM≤DR≤DRTM、-DRTM≤DT≤DRTM。
初始时，消像散装置6的R相和T相励磁电流控制优选数据DRmin和DTmin都置0，消像散装置6的R相和T相励磁电流控制数据的调节偏差ΔDRT置为0.5×DRTM。
步骤12：起动电子束加工设备，中央控制器1将0值赋予R相励磁电流控制数据DR，中央控制器1将0值赋予T相励磁电流控制数据DT，即中央控制器1输出消像散装置6励磁电流控制电压信号UR和UT分别为0。当中央控制器1输出脉冲电子束控制电压信号UBS时，穿越检测装置8的电子束9流的电压信号为UB，信号处理电路4的输出电压信号为UA，电压信号UBS、UB、UA的波形如图5所示。
步骤13：在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内中央控制器1以采样周期μ对电压信号UA进行n次采样，采样数据分别存为DA1、DA2、…、DAn。
步骤14：中央控制器1采样结束后,中央控制器1计算DA1、DA2、…、DAn绝对值最大者并存为DAmax，中央控制器1计算DA1、DA2、…、DAn绝对值平均值并存为
Figure BDA0002498337480000086
中央控制器1计算电子束斑形貌综合数据并存为DZmin(0)。
步骤2：试验寻求R相(第一消像散绕组)励磁电流控制优选数据DRmin：
步骤21：中央控制器1将DRmin+ΔDRT值赋予R相励磁电流控制数据DR，将DTmin值赋予T相励磁电流控制数据DT，改变消像散装置6的励磁电流。
步骤22：中央控制器1输出脉冲电子束控制电压信号UBS，并在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内以采样周期μ对电压信号UA进行n次采样，采样数据分别存为DA1、DA2、…、DAn。
步骤23：中央控制器1采样结束后,中央控制器1确定DA1、DA2、…、DAn绝对值最大者并存为DAmax，中央控制器1计算DA1、DA2、…、DAn绝对值平均值并存为
Figure BDA0002498337480000085
中央控制器1计算电子束斑形貌综合数据并存为DZmin(1)。
步骤24：中央控制器1将(DRmin-ΔDRT)值赋予R相励磁电流控制数据DR，将DTmin值赋予T相励磁电流控制数据DT，改变消像散装置6的励磁电流。
步骤25：中央控制器1输出脉冲电子束控制电压信号UBS，并在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内以采样周期μ对电压信号UA进行n次采样，采样数据分别存为DA1、DA2、…、DAn。
步骤26：中央控制器1采样结束后,中央控制器1计算DA1、DA2、…、DAn绝对值最大者并存为DAmax，中央控制器1计算DA1、DA2、…、DAn绝对值平均值并存为
Figure BDA0002498337480000091
中央控制器1计算电子束斑形貌综合数据并存为DZmin(2)。
步骤27：中央控制器1比较DZmin(0)、DZmin(1)、DZmin(2)三个数据的大小：
若DZmin(0)为最小，将DZmin(0)值赋予DZmin(3)，且DRmin不变；
若DZmin(1)为最小，将DZmin(1)值赋予DZmin(3)，且将DRmin+ΔDRT值赋予DRmin；
若DZmin(2)为最小，将DZmin(2)值赋予DZmin(3)，且将DRmin-ΔDRT值赋予DRmin。
步骤3：试验寻求T相(第二消像散绕组)励磁电流控制优选数据DTmin：
步骤31：中央控制器1将DRmin值赋予R相励磁电流控制数据DR，将DTmin+ΔDRT值赋予T相励磁电流控制数据DT，改变消像散装置6的励磁电流。
步骤32：中央控制器1输出脉冲电子束控制电压信号UBS，并在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内以采样周期μ对电压信号UA进行n次采样，采样数据分别存为DA1、DA2、…、DAn。
步骤33：中央控制器1采样结束后,中央控制器1确定DA1、DA2、…、DAn绝对值最大者并存为DAmax，中央控制器1计算DA1、DA2、…、DAn绝对值平均值并存为
Figure BDA0002498337480000092
中央控制器1计算电子束斑形貌综合数据并存为DZmin(4)。
步骤34：中央控制器1将DRmin值赋予R相励磁电流控制数据DR，将DTmin-ΔDRT值赋予T相励磁电流控制数据DT，改变消像散装置6的励磁电流。
步骤35：中央控制器1输出脉冲电子束控制电压信号UBS，并在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内以采样周期μ对电压信号UA进行n次采样，采样数据分别存为DA1、DA2、…、DAn。
步骤36：中央控制器1采样结束后,中央控制器1确定DA1、DA2、…、DAn绝对值最大者并存为DAmax，中央控制器1计算DA1、DA2、…、DAn绝对值平均值并存为
Figure BDA0002498337480000093
中央控制器1计算电子束斑形貌综合数据，并存为DZmin(5)。
步骤37：中央控制器1比较DZmin(3)、DZmin(4)、DZmin(5)三个数据的大小：
若DZmin(3)为最小，将DZmin(3)值赋予DZmin(6)，且DTmin不变；
若DZmin(4)为最小，将DZmin(4)值赋予DZmin(6)，且将DTmin+ΔDRT值赋予DTmin；
若DZmin(5)为最小，将DZmin(5)值赋予DZmin(6)，且将DTmin-ΔDRT值赋予DTmin。
步骤4：综合数据最小值判断
中央控制器1比较DZmin(6)与DZmin(0)两数据的大小：
若DZmin(6)＜DZmin(0)，则先将结束标志K置0；再将DZmin(6)值赋予DZmin(0)，且将0.5×ΔDRT值赋予ΔDRT后，转回步骤2；
若DZmin(6)≥DZmin(0)，则先将结束标志K值加1；再进一步判断结束标志K是否小于2：
如果是，则保持DZmin(0)不变，且将0.5×ΔDRT值赋予ΔDRT，转回步骤2；
否则，储存上述过程最终获得的消像散装置6的R相和T相励磁电流控制优选数据DRmin和DTmin，完成电子枪自动消像散试验。
电子束加工设备正常工作时，中央控制器1将贮存的DRmin和DTmin数据分别作为第一消像散绕组励磁电流的控制数据和第二消像散绕组励磁电流的控制数据。
本系统特点：采用分裂式罗柯夫斯基线圈作为检测元件，结合脉冲电子束技术，实现了电子束斑点形貌的无接触检测。分裂式罗柯夫斯基线圈以差模信号输出，以检测信号的最小值为消像散装置校正目标，既简化了检测信号的处理方式又消除了共模干扰信号的影响，提高检测的灵敏性和精度。分轴搜寻“最佳”消像散装置的励磁电流，实现快速搜寻。检测信号的幅值及平均值的加权值更能充分体现电子束斑点形貌的差异，以加权值综合数据作为判断依据，“最佳”值的两轮搜寻确认，进一步提高可靠性及减少随机性。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (9)

1.自动消像散电子枪，包括中央控制器(1)、电子源电源(2)、驱动电源(3)和电子枪本体(11)；
电子束发生器(5)、消像散装置(6)和聚焦装置(7)自上而下设置在电子枪本体(11)内；消像散装置(6)包括两相消像散绕组，这两相消像散绕组组成多对磁极轴对称结构；
中央控制器(1)的电子束控制电压信号输出端连接电子源电源(2)的控制输入端，电子源电源(2)的输出端连接电子束发生器(5)；中央控制器(1)的第一消像散控制电压信号输出端连接驱动电源(3)的第一控制输入端，驱动电源(3)的第一输出端连接消像散装置(6)的第一消像散绕组；中央控制器(1)的第二消像散控制电压信号输出端连接驱动电源(3)的第二控制输入端，驱动电源(3)的第二输出端连接消像散装置(6)的第二消像散绕组；
其特征在于：还进一步包括检测装置(8)和信号处理电路(4)；
检测装置(8)设置在电子枪本体(11)内，并位于聚焦装置(7)正下方的电子束(9)出口端；检测装置(8)包括骨架(85)和四组检测绕组；骨架(85)为非导磁绝缘材料的环状结构；四组绕组的匝数及线径都相同，并同时绕制在骨架(85)上且呈均匀对称分布；第一检测绕组(81)和第三检测绕组(83)在骨架(85)上径向相对设置，且第一检测绕组(81)的末端与第三检测绕组(83)的首端相连；第二检测绕组(82)和第四检测绕组(84)在骨架(85)上径向相对设置，且第二检测绕组(82)的末端和第四检测绕组(84)的首端相连；
检测装置(8)的第一检测绕组(81)的首端与第二检测绕组(82)的首端相连再接至信号处理电路(4)的公共输入端，检测装置(8)的第三检测绕组(83)的末端接至信号处理电路(4)的第二输入端，检测装置(8)的第四检测绕组(84)的末端接至信号处理电路(4)的第一输入端；信号处理电路(4)的输出端连接中央控制器(1)的输入端。
2.根据权利要求1所述的自动消像散电子枪，其特征在于：信号处理电路(4)由运算放大器A1-A2、电阻R1-R8和电容C组成；
电阻R1的一端形成信号处理电路(4)的第一输入端，电阻R2的一端形成信号处理电路(4)的第二输入端，电阻R3的一端与信号公共点相连后，形成信号处理电路(4)的公共输入端；电阻R1的另一端接运算放大器A1的反相输入端；电阻R2和电阻R3的另一端同时接运算放大器A1的同相输入端；电阻R4的一端接运算放大器A1的反向输入端，电阻R4的另一端接运算放大器A1的输出端；
运算放大器A1的输出端与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端同时连接电容C和电阻R6的一端；电容C的另一端与电阻R7的一端同时连接信号公共点，电阻R7的另一端接运算放大器A2的同相输入端；电阻R6的另一端接运算放大器A2的反相输入端；电阻R8的一端接运算放大器A2的反向输入端，电阻R8的另一端接运算放大器A2的输出端；运算放大器A2的输出端形成信号处理电路(4)的输出端。
3.根据权利要求2所述的自动消像散电子枪，其特征在于：电阻R1和R2的阻值相同，电阻R3和R4的阻值相同，电阻R5和R6的阻值相同，电阻
Figure FDA0002498337470000021
4.根据权利要求1所述的自动消像散电子枪，其特征在于：骨架(85)为非导磁绝缘材料制成。
5.基于权利要求1的自动消像散电子枪所实现的电子枪自动消像散方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、初始化：设定第一消像散绕组的励磁电流控制优选数据DRmin的初值，设定第二消像散绕组的励磁电流控制优选数据DTmin的初值，设定调节偏差ΔDRT的初值；设定调节偏差ΔDRT的缩小系数λ，其中0＜λ＜1；设定脉冲电子束控制电压信号UBS和持续时间τ；设定采样周期μ；设定迭代阈值η,其中
η为≥1的整数；
步骤2、试验寻求在消像散装置(6)无励磁电流状态下原始电子束斑形貌综合数据；即：
起动电子枪，中央控制器(1)将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR和第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT均置为0，使得消像散装置(6)的励磁电流为0；中央控制器(1)输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路(4)的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000022
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000023
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(0)。
步骤3、试验寻求第一消像散绕组的励磁电流控制优选数据DRmin；即：
步骤3.1、中央控制器(1)将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR置为DRmin+ΔDRT，将第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT置为DTmin，改变消像散装置(6)的励磁电流；中央控制器(1)输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路(4)的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000024
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000025
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(1)；
步骤3.2、中央控制器(1)将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR置为DRmin-ΔDRT，将第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT置为DTmin，改变消像散装置(6)的励磁电流；中央控制器(1)输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路(4)的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000031
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000032
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(2)；
步骤3.3、中央控制器(1)比较电子束斑形貌综合数据DZmin(0)、DZmin(1)和DZmin(2)的大小：
若DZmin(0)为最小，将DZmin(0)值赋予DZmin(3)，且DRmin不变；
若DZmin(1)为最小，将DZmin(1)值赋予DZmin(3)，且将DRmin+ΔDRT值赋予DRmin；
若DZmin(2)为最小，将DZmin(2)值赋予DZmin(3)，且将DRmin-ΔDRT值赋予DRmin。
步骤4、试验寻求第二消像散绕组的励磁电流控制优选数据DTmin；即：
步骤4.1、中央控制器(1)将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR置为DRmin，将第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT置为DTmin+ΔDTR，改变消像散装置(6)的励磁电流；中央控制器(1)输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路(4)的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000033
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000034
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(4)；
步骤4.2、中央控制器(1)将第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR置为DRmin，将第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT置为DTmin-ΔDTR，改变消像散装置(6)的励磁电流；中央控制器(1)输出脉冲电子束控制电压信号UBS，在脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，以采样周期μ对信号处理电路(4)的输出电压信号UA进行采样，并获得所述输出电压信号UA采样数据的最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000035
进而基于该最大绝对值DAmax和绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000036
计算当前电子束斑形貌综合数据DZ，并将其记为DZmin(5)；
步骤4.3、中央控制器(1)比较电子束斑形貌综合数据DZmin(3)、DZmin(4)和DZmin(5)的大小：
若DZmin(3)为最小，将DZmin(3)值赋予DZmin(6)，且DTmin不变；
若DZmin(4)为最小，将DZmin(4)值赋予DZmin(6)，且将DTmin+ΔDRT值赋予DTmin；
若DZmin(5)为最小，将DZmin(5)值赋予DZmin(6)，且将DTmin-ΔDRT值赋予DTmin。
步骤5、判断综合数据是否到达最小值；即：
中央控制器(1)比较电子束斑形貌综合数据DZmin(6)和DZmin(0)的大小：
若DZmin(6)＜DZmin(0)，则先将结束标志K置0值；再将DZmin(6)值赋予DZmin(0)，且将λ×ΔDRT值赋予ΔDRT后，转回步骤3；
若DZmin(6)≥DZmin(0)，则先将结束标志K值加1；再进一步判断结束标志K是否小于迭代阈值η：
如果是，则DZmin(0)不变，且将λ×ΔDRT值赋予ΔDRT，转回步骤3；
否则，将上述过程最终获得的第一消像散绕组的励磁电流控制优选数据DRmin存储为最终的第一消像散绕组的励磁电流控制数据DR，将第二消像散绕组的励磁电流控制优选数据DTmin存储为最终的第二消像散绕组的励磁电流控制数据DT，完成电子枪自动消像散试验。
6.根据权利要求5所述的电子枪自动消像散方法，其他特征是，步骤1中，将第一消像散绕组的励磁电流控制优选数据DRmin初值为0，将第二消像散绕组的励磁电流控制优选数据DTmin初值为0，将第一消像散绕组和第二消像散绕组的励磁电流控制数据调节偏差ΔDRT初值为0.5×DRTM；其中DRTM为消像散绕组的阈值，即-DRTM≤DR≤DRTM、-DRTM≤DT≤DRTM，DR为第一消像散绕组的励磁电流控制数据，DT为第一消像散绕组的励磁电流控制数据。
7.根据权利要求5所述的电子枪自动消像散方法，其他特征是，在一个脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间τ内，信号处理电路(4)的输出电压信号UA的n个采样数据为DA1、DA2、…、DAn，则这些采样数据的
最大绝对值DAmax为：
DAmax＝max[|DA1|,|DA2|,...,|DAn|]
绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000041
为：
Figure FDA0002498337470000042
其中：
Figure FDA0002498337470000043
τ为脉冲电子束控制电压信号UBS的持续时间，μ为采样周期。
8.根据权利要求6或7所述的电子枪自动消像散方法，其他特征是，电子束斑形貌综合数据DZ为：
Figure FDA0002498337470000044
其中：DAmax和
Figure FDA0002498337470000045
分别为信号处理电路(4)的输出电压信号UA采样数据的最大绝对值和绝对值平均值，α为绝对值平均值
Figure FDA0002498337470000046
的给定加权值，0≤α≤1。
9.根据权利要求5所述的电子枪自动消像散方法，其他特征是，迭代阈值η＝2。
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