CN1165951C - 大功率电子束的驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率电子束的驱动方法，所述电子束用于使处在坩埚等装置内的材料气化。用该方法可自动对偏转误差进行静态或动态修正。首先，用教入方法检测各个空间坐标和各个偏转电流的频率并将其存储到存储器中。在以后的操作中，将以这样的方式使用所存储的数据，将对应于电子束击中点的集合数据自动地换算到经修正的电流值，以此影响给定点的准确击中。在确定偏转电流的频率时也采取同样的方法。对给定的频率将自动修正振幅和曲线形状，以减少频率衰减效应。

Description

大功率电子束的驱动方法

本发明涉及的是一种大功率电子束的驱动方法，所述电子束用于使处在坩埚等装置内的材料气化，该方法包括以下步骤：设置所述电子束的偏转单元，所述电子束以基本恒定的强度射向待气化的材料，所述电子束以一可预先确定的速度被导向待气化材料表面的不同点上，选择待熔化材料表面的点的几何坐标，使该坐标顺序控制所述电子束。

高质量的金属和金属合金可以采用电子束冶炼工艺生产出来。使用电子束发射管作为热源熔化金属和合金的优点是，可以实现非常复杂的熔炼工艺，因为电子束可以偏转，从而能够达到金属块或金属熔化物表面的不同位置。采用电子束技术也可以将几乎任何材料有效地气化。其气化率系数大约比阴极真空喷镀(Sputter)工艺高100。除了金属铝的标准工艺外，特别是高熔点材料和高气化温度材料也适合采用电子束气化技术。这些材料例如包括Cr、Co、Ni、Ta、W，合金或氧化物如SiO₂、Al₂O₃、ZrO₂、MgO。对于反应性气化，例如 ，电子束技术也能提供所要求的稳定性和均匀的气化率。

电子束气化的一个十分重要的应用领域是各种不同材料的大面积镀层，例如磁带上的CoNi合金镀层或者食品包装薄膜的镀层(参见德国专利公开说明书4203632A1＝美国专利说明书5302208号)。

另一个应用领域是透平机叶片的防腐镀层，例如100-200微米厚的McrAlY镀层以及一层由100-200微米的钇或稳定的ZrO₂构成的附加隔热层，从而延长透平机叶片的寿命。

电子束镀层的主要优点是，在电子束的焦点上有很高的功率密度，其数值最高可达1MW/cm²。由于功率密度高，所以可得到很高的表面温度，因此高熔点材料也可被气化。电子束的焦点面积通常小于1cm²，所以产生的气化区很小。因此如果电子束是固定的，或者虽然是在待气化表面上移动扫描，但是速度过低，则大部分电子束能量将进入材料内部，这无助于气化的改善。

在待气化表面上的功率分布可以用现代辅助手段调节，使得待气化表面上的镀层厚度以某种简单的方式实现最佳化，例如改变电子束扫描的图形。

用电子束气化法制造的镀层，其厚度经常小于用阴极真空喷镀工艺制成的镀层，而且镀层的性质也有差别。为改进电子束气化镀层的性质，可在气化工艺中增加一个等离子体支持层。

由于电子束和残余气体粒子之间的交互作用，镀层室内的压力和电子束发射管与待气化材料之间的距离，即射束长度，不得超过预定的数值。例如当加速电压为20-50kV时，压力不得超过10^-2毫巴。电子束的长度不得超过1米。如果需要更高的压力和更大的电子束长度，则应当提供加速电压。

在较高的功率水平下由于材料杂质的屏蔽作用也可造成压力升高，例如由于水或结晶水造成的压力升高。此外，金属和氧气中会释放出某些氧化物。压力的升高会导致镀层性质的改变，或使电子束散焦。所以优选气化材料时应当考虑到杂质与水的屏蔽作用。

电子束发射管的功率可高达1000kW，其加速电压可高达160kV。用于镀层目的的电子束发射管功率一般为150-300kW，加速电压为35kV。电子束的偏转和聚焦通常采用电磁线圈实现。通过改变流经电磁线圈的电流，可以容易地控制电子束的聚焦和电子束的偏转。

通常在电子束焊接中，所使用的扫描频率10kHz多。然而在镀层用途中，通常所使用的频率在100-1000Hz，这里的频率指的是基本频率。如果存在高次频波，则频率同样可考虑诸如10Hz等。所述的扫描频率是指电子束在诸如坩埚表面的两个点之间往复运动的频率。

控制一个大功率电子束时，通常要注意以下方面：发射管的功率源，电子束在发射管内的导向以及电子束在处理表面上的导向。

已经有若干种控制功率电子束的方法被公开，其中特别有一种偏转系统(德国公开专利说明书4208484)，具有用于探测电子束在熔化物上的击中点的传感器(欧洲专利说明书0184680，德国专利说明书3902274，德国公开专利说明书3538857，欧洲公开专利说明书0368037)。也有人建议采用具有一个以上电子束的偏转系统(美国专利说明书4988844)或者具有磁场传感器的电子束位置调节装置(德国专利说明书3532888)。

另外，公知的还有利用微处理器控制大功率电子束的方法，其中使用一个软件操纵一种普通的硬件，通过该软件的设计，可实现电子束分布的均匀性和执行熔炼指令或配方时的较大灵活性(参见M.Blum，A.Choudhury，F.Hugo，F.Knell，H.Sholz，M.Baehr所著的《一种新型高速电子束发射管在组合熔炼工艺中的应用》，电子束会议论文集，Reno/美国，1995年10月11-13日)。高频控制的电子束设备的基本特征是有一个热成像器和一个测量装置用于探测气相中的元素浓度。该控制装置可用于许多方面，例如钛的炉内熔炼或钽的滴液熔炼。此外，该装置可同时控制多个熔炉，所述熔炉最多可配置五个电子束发射管。利用该装置甚至还可以在非对称的熔炼设备中，实现精确定义表面温度分布的电子束熔炼工艺，例如在水平滴液熔炼中，在设备的一侧被熔炼材料经由一个水冷的铜槽被引入，或者在另一种电子束设备中，在设备的一侧由于存在过量的熔化物而产生较高的输入能量。这种公知设备的控制采用普通的个人电脑进行，而且应用基于视窗(WINDOWS)的软件工作。

在上述大功率电子束控制设备的一种改进方案中，使用了电子束扫描和控制系统，利用该系统可直接控制电子束的扫描速度(参见M.Baehr，G.Hoffmann，R.Ludwig，G.Steiniger所著的《一种用于大功率电子束技术的新型扫描和控制系统(ESCOSYS^TM)》，第五届等离子体和表面工程国际大会论文集，加米施一帕腾基兴，1996年9月)。该调节系统的基础是“自适应型智能”，它具有两个基本特征。一个特征涉及的是误差补偿。其中电子束的特性首先被“教入”系统，这是在较小的功率下，在显示屏上开始的。经过了这个“教入过程”后，电子束发射管的频率衰减误差和偏转误差将被自动补偿。电子束即便有不同的入射角，其在坩埚内的圆形图形也将保持为圆形，而不会变成椭圆等图形。当扫描频率改变时，该圆形的大小将保持不变。偏转误差补偿是通过使用2×n维多项式函数得出的。频率衰减则考虑到振幅和相位的旋转，应用快速富立叶算法补偿。所以不仅能对几何图形进行精确的补偿，而且还可以补偿非常复杂的图形。尽管如此，系统的频率限制为10kHz，其允许不超过1kHz的循环频率。这样可使频率衰减补偿的必要性减到最小程度。除了上述误差补偿外，另一个基本特征是针对某个特定的表面直接输入功率补偿。利用该公知系统可在较大的速度下使气化淀积层获得极大的均匀性。例如在反应性Al₂O₃工艺中，可达到10m/s的镀膜速度。关于所述偏转补偿和频率衰减补偿如何实现的进一步细节，在上述文献中并没有描述。

从上述已有技术出发，本发明提出的任务是，提供一种方法，它可使电子束以预定的扫描图或功率图自动偏转，而且实现误差补偿。

以上任务的解决方案之一是，一种用于在坩埚或类似物内气化材料的大功率电子束的驱动方法，包括以下步骤：设置所述电子束的偏转单元，所述电子束以基本恒定的强度射向待气化的材料，所述电子束以一可预先确定的速度被导向待气化材料表面的不同点上，选择待熔化材料表面的点的几何坐标，使该坐标顺序控制所述电子束，其特征是所选择的几何坐标被转换成为修正偏转电流，并且加在相应的偏转单元上。

以上任务的解决方案之二是，用于在坩埚或类似物内气化材料的大功率电子束的驱动方法包括以下步骤：设置所述电子束的偏转单元，所述电子束以基本恒定的强度射向待气化的材料，所述电子束以一可预先确定的速度被导向待气化材料表面的不同点上，其特征是确定所述电子束在待气化材料表面上的几何功率分布，测定和所述待气化材料表面几何功率分布相对应的几何坐标，将所测定的几何坐标转换成为修正偏转电流，并且加在相应的偏转线圈上。

以上任务的解决方案之三是，用于在坩埚或类似物内气化材料的大功率电子束的驱动方法包括以下步骤：所述电子束以基本恒定的强度射向待气化的材料，所述电子束以一可预先确定的速度被导向待气化材料表面的不同点上，选择待熔化材料表面的点的几何坐标，使该坐标顺序控制所述电子束，本发明的特征是在所述电子束的静态工况下，测定几何坐标相对于修正偏转电流的实际对应关系，在所述电子束的动态工况下，测定几何坐标相对于修正偏转电流的实际对应关系，测定修正值，该值表示与几何坐标相对应关系的理想电流坐标和实际电流坐标之间的偏差，利用所测定的修正值对理想电流坐标进行修正，以控制电子束。

以上任务的解决方案之四是，用于在坩埚或类似物内气化材料的大功率电子束的驱动方法包括以下步骤：所述电子束以基本恒定的强度射向待气化的材料，所述电子束以一可预先确定的速度被导向待气化材料表面的不同点上，本发明的特征是，使待气化材料表面上的预定几何点与射在该点上的电子束的电功率相对应关系，并且所述功率由电子束的强度和速度定义，求出所述电子束的理想几何运动图的坐标，该图应保证为所述几何点提供预定的电子束功率。

本发明所实现的优点特别在于，选择电子束的几何轨迹。即电子束导致的功率在预定的熔化表面上的分布时不考虑误差修正。用户不必再考虑所出现的误差，可以直接输入位置坐标。此外，他可以直接定义功率分布，而不必象以前那样通过试验得到几何偏转图形的适当组合才能确定功率分布。此外，通过本发明还可实现使用一个封闭的调节圆。例如在气化过程中实时测量气化率，并且经过一个调节算法生成一个新的功率分布图，从而实现诸如非常均匀的镀层，而且如果事先进行了误差修正，这种调节圆还可非常精确地进行微调。如果不修正这些误差，则即便在封闭的调节圆内也将保留剩余误差。

如果存在相应的测量系统，通过本发明在熔炼中也可实现诸如控制或调节坩埚或熔炉内的温度分布。这样可以更好地实现材料结构的最佳化，并且减少所不希望发生的合金组分气化损失。

本发明涉及的是一种被动系统，也就是说，对电子束打在熔炼材料上的击中点不进行任何测量。系统对击中点的识别是通过一次性发生在熔炼工程开始的识别(“教入[teach-in]”)实现的。当然，本发明也可和自动测量系统结合在一起，后者可直接测量电子束的击中点。在所述被动系统的实现过程中，首先应当用位置坐标定义或计算偏转图形，并且存储在一个中间存储器内。电子束的偏转速度是按照电子束的预定偏转频率以及熔炼材料上的定义点之间的距离计算的。一种特殊的算法，特别是含有误差修正的算法将用位置坐标定义的偏转图形转换成为这样一个偏转图形，该图形用偏转线圈的电流值来定义。这里也可从附加给出的频率中得出偏转速度。所获得的电流图形可以直接送入一个电流放大器，该放大器驱动电磁偏转线圈，从而使电子束实现电磁偏转。由于涡流损失而在放大器的脉冲输出和电子束之间产生的频率衰减和频率非线性变形，以及频率范围中的任何其他非线性均得到了考虑。

下面对照附图所示的实施例对本发明作详细的说明。

图1表示一种具有可偏转电子束的电子束熔炼或电子束气化设备的原理图；

图2表示一个熔炼坩埚，在其表面上有一束可偏转的电子束；

图3表示一个设置在坩埚上面的栅板，用于校正目的；

图4a，b表示实现预定图形所需的实际x-、y-电流分量的曲线图；

图5表示的示意图说明随着偏转频率的增加，电子束的偏转误差也增加；

图6表示频率衰减补偿图，其中随着频率的增加，电流振幅在径向和切向也增加；

图6a表示修正的偏转电流曲线的x-和y-电流分量的频谱图；

图7表示一种设备的原理图，其中采用了偏转误差的静态和动态修正法；

图8表示一个直角形坩埚的预定功率分布图；

图9表示图8所示功率分布情况下的电子束路径；

图10表示一个圆形坩埚的预定功率分布图；

图11表示图10所示功率分布情况下的电子束路径；

图12表示本发明所述两个电子束发射管控制系统的原理图；

图13表示一个封闭调节系统的原理图；

图14表示本发明所述不同方法途径的框图。

在图1中表示的是一个大功率电子束发射管1的工作原理。标号2表示加热灯丝，它通有电压U_f，并且发射出电子3。在加热灯丝2的下方是一个固定的、大多呈块状的阴极4。该阴极被电子流加热，使得阴极块4发射出电子6。在阴极块4和一个阳极8之间加有高压U_b，通过该电压使电子6加速。一个圆筒形控制极5可对静电场施加影响，使得电子在阳极8的孔内聚焦，从而产生一束电子束7。通过电磁透镜9、10可对该电子束进一步集束。标号11表示电磁偏转单元，它通以一个电流I_d，该电流来自电源12。所述电源12可以提供直流电或交流电，而且电流的振幅和/或频率是可变的。

在电子束发射管1的下方是一个坩埚13的截面，坩埚内盛有金属或金属合金14。偏转的电子束7’与该金属14的表面15相接触，在图1中，该电子束和水平轴线16之间有偏转角α。

标号20表示一个热成像器，借助于该装置可测定金属14的表面15上的温度分布。

在图2中仅显示出了电子束发射管1的下体22，其中没有专门显示出偏转单元11；该单元处在下体22内部。坩埚13和金属表面15采用立体显示方式。

从图中可看出，用细线表示的电子束7’采用扫过整个表面15的方式偏转。电子束7’在表面15上的每个击中点用P₁-P₈表示。

击中点P₁-P₈可通过表面15上的x、y-坐标系或者极坐标系定义。如果确定点的坐标时需要考虑电子束7’的长度，则可采用球面坐标系。此时距离23-P₁确定了电子束发射管的出口至点P₁之间的电子束的长度，而第一个没有表示出的角度α表示电子束至中轴线的偏移量，一个同样未画出的第二角度β表示顺时针的转角。和电视显象管技术一样，电子束也可以朝着特定的点偏转，如果有特定的电流流经x、y-偏转线圈的话。在流经x、y-偏转线圈的电流和电子束7’的击中点之间存在唯一的对应关系。

这种空间坐标和理想电流坐标之间的固定对应关系只能确定一种固定偏转的电子束7’，也就是说，当电子束7’不移动时，而且没有出现干扰情况时才有这种关系。如果电子束发射管和坩埚13的相对位置是倾斜的，或者例如在坩埚13上出现了附加的磁电干扰场，则电子束7’本身将可能达不到预定的点P₁-P₈，如果其偏转单元得到的是对应于该点在理想关系下所应当得到的电流的话。在通常情况下，进行气化工艺时，电子束发射管的位置与坩埚既不垂直也不对中，而是在侧倾于坩埚布置，以减小发射管的内部损坏。这样会产生诸如使表面15上产生的一个方形偏转图形变形为一个弯曲的梯形图形，或者从一个输入的圆形偏转图形变成一个椭圆形的结果。为了在气化材料的表面上仍产生一个方形或圆形的图形，必须对理想的电流参数进行修正，也就是说，偏转单元得到的不能是等同于精确对称布置的电子束以及在纯电感偏转单元情况下的电流。

电子束7’的密度在所述气化方法中始终保持恒定或者仅做缓慢变化。通过电子束7’输送到表面15上的功率是通过电子束从一个点运动到另一个点的速度确定的。例如人们说电子束在表面上的一个点的停留时间是因为电子束不是精确的点状，所以以在其直径内逗留时间对应于在一点的确定时间。

为了测定上述静态偏转误差和减少误差的影响，必须确定实际偏转和理想偏转之间的偏差。理想偏转可以容易地计算出来，但是实际偏差则不能。所以该偏差只能通过教入方法确定。

图3的示意图用于说明修正偏转误差的教入过程。这种偏转误差如上所述，可能是通过电子束发射管相对坩埚中心线倾斜放置而产生，或者由于坩埚上的附加磁场而产生。这种偏转误差的修正也称为静态修正，因为它必须在不运动的电子束上进行。电子束发射管22和电子束7’在图3中仅作了示意性表示。教入或学习过程基本上通过标记板50进行，该板放置在图中没有画出的坩埚上方，并且具有标记点P₉-P₁₉。这些标记点通过电子束7’手动建立并且通过改变偏转电流逐个确定。如果电子束7’达到了图3所示的位置，则对于点P₁₀已知的位置坐标x₁₀、y₁₀便存储在一个存储器51内。该位置坐标对应于电流坐标I_x10、I_y10，也就是说是x-和y-的偏转电流，该电流可使电子束7’进入图3所示的位置。该位置所对应的电流就是实际流动电流，该电流和x、y-坐标对应的理想电流不一致，已经包含了误差修正。实际流过的电流I_x10、I_y10的振幅对于控制一个预定的点是必要的，该电流同样存到存储器51内，并且被做为点P₁₀的位置坐标。以同样的方式可以得到点P₉、P₁₁-P₁₉的位置坐标，所以在存储器中每个点P₉-P₁₉都对应着特定的偏转电流I_x9、I_y9-I_x19、I_y19。如果想让电子束在存在干扰的情况下精确地击中点P₉-P₁₉，则仅需要将该点所对应的、并且通过教入方法测定的电流振幅加到对应的x、y-偏转单元上。尽管在教入过程中优先采用直流电做为偏转电流，然而所测定的修正系数同样适用于交流电的振幅。

通过空间x、y-坐标和相应的电流坐标之间的对应可在一定程度上将金属表面的局部空间转换成偏转线圈的电流空间。这种电流坐标如上所述，涉及的是为将电子束控制到预定的x、y-点所必须流动的实际电流振幅，。但是也可以让每个x、y-点对应一个理想的电流坐标，而且该点再用一个修正系数I_理想/I_实际表示。

在图4b中显示了对应于一个矩形坩埚60的教入过程的结果。在其中可以看出一个具有被精确控制的点P₁-P₂₂的坩埚。为了借助于带有上述静态偏转误差的电子束实现该控制，x、z坐标上的电流必须达到以标号61(图4a)表示的大小。由点P₁’-P₂₂’表示的该电流已经过修正，它不是一个矩形，而是一个变形的梯形。

偏转线圈上必须加载以61表示的电流振幅，使得电子束击中坩埚的点P₁-P₂₂。

显示在坩埚60上的、对教入法所必须的点阵对于运行而言是比较粗略的。为了使偏转线圈的中间区域也加载上正确的电流，可使用内插法。采用一种特别的方法可以得到比图4b中60所示更加密集的点阵，该方法是最小误差平方法。在这种方法中，n个成对测量值x_i、y_i是由平衡多项式确定的：

$y=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{x}^i---\left(1\right)$

作为平衡的基准是平衡多项式的各个测量点的误差平方之和的最小值(参见H.Frohner，E.Ueckert的《电测量技术基础》，1984年，208、209页)。在该补偿法中，所述的电流，即点P₁-P₂₂之间的中间位置的电流通过公式电流幅度

求出，其中

k＝x’，y’

a_i，j，k＝在点P₁-P₂₂上测定的处于教入范围内的系数

为了将所有的坐标的上述误差修正，采用了n次方的二维多项式来计算偏转误差，也就是说，用该多项式可计算出一个平面上的任意点(x，y)的电流振幅(I_x，I_y)。

通过以上方法也可将未在教入法过程中测定的位置参数从位置空间转换成电流空间。

在静态偏转修正进行完毕后，将进行动态频率修正，也就是说，从一个纯粹的加载在偏转线圈上的正弦交流电流中求出一个修正的交流电流。该交流电流的修正是必要的，因为在实际运行中会出现频率误差。所述频率误差和何种因素相关，见以下关于图5的说明。

在图5中显示的是电子束的一维运动，它表示了电子束7’的纯粹正弦偏转。其中电子束7’的偏转是通过流经偏转单元的电流I＝I_osinωt确定的，它是基于电源12所提供的电压U＝U_osinωt产生的。在给定的电流强度I_o和给定的交流电角频率ω₁的作用下，电子束7’将从一个第一位置I运动到一个第二位置II，然后再返回，而且其节拍等于交流电的频率。所以电子束7’走过的是位置I和II之间的直线。处于中心线16右侧的偏转角α₁与处于中心线16左侧的偏转角α₁’相等。两个角度α₁、α₁’均由分别流经偏转单元11的交流电流的强度确定。如果在同样的电流强度下交流电的频率增加，则理论上电子束7’仍在位置I和II之间来回摆动，只是摆动的频率更高。

在实际中，偏转角α₁、α₁’和频率相关的另一个原因是因为出现所谓的频率衰减。与频率相关的衰减基本上是由于交流电在电磁偏转系统中的涡流损失而产生的。因为一个偏转系统不仅仅是由线圈组成，而且含有铁芯，所以由于铁芯内出现的涡流会对线圈内的电流发生与频率相关的衰减作用。

此外，特别是由于线圈放大器的非线性频率特性，会导致偏转线圈电流产生频率相关性。这种情况的导致的结果是，在电流相同，但频率升高到ω₂时，偏转角α₂、α₂’将小于偏转角α₁、α₁’。两个角度之差偏转角α₁-α₂也被称为相移Θ或频率衰减。该频率衰减Θ是交流电频率的函数，即Θ＝f(ω)。

如果偏转系统在x和y方向上有差异，也会出现相移Θ。该相移Θ指的是相应x和y偏转方向上的偏转线圈电流在时间上的差值。

图6显示的上部图形31表示出x偏转方向上的电流振幅应当如何改变，以便将电子束正确地控制到特定的位置。图形32则表示出y方向上的电流振幅应当如何随交流频率而增加，以便将电子束正确地控制到特定的点上。所以必须相应地增大振幅，以补偿随频率的增加而出现的衰减系数。以上所述的函数关系，电流振幅＝f(ω)可通过实验方法，求出针对不同频率的数值，然后教入系统，即存储到一个存储器内。为此目的例如6个频率即可满足需要，该频率在教入过程中应被采集。相反，为了教入静态偏转误差，电子束不需要指向各个点P₁-P₁₉，而是从一个坐标上看仅仅在两个点之间摆动即可，例如在点P₉和P₁₀之间。在6个频率中的每个上，均应适当改变电流振幅，使得电子束能达到点P₉和P₁₀。

在实际中是在两个坐标上采取该教入法的。为此在两个偏转单元上施加正弦波电流，并变化电流的频率。当出现了一个频率衰减时，椭圆图形、圆形图形或直线上的电流振幅减小，此时必须调节x和y方向上的电流振幅，从而重新恢复原先的电流振幅。

由于频率衰减，不仅供给偏转单元的电流振幅必须改变，而且还必须对曲线形状进行修正。如果电源提供给偏转单元的是纯粹的正弦波电流，则由于动态误差，会出现正弦波形状的变形，也就是说，电子束的实际偏转电流不再是正弦波，而是正弦波叠加上高次波。为了重新恢复已经变形的正弦曲线，应当采用富立叶变换法。借助于富立叶变换法可将一个与时间相关的函数变成一个与频率相关的富立叶变换，或者反之。所以富立叶变换法是一种运算，它可从时间函数中产生一个频率范围内的函数，也就是说从时间范围过渡到频率范围，或者反之。如果一个在时间内流经偏转线圈的电流经过富立叶变换，则将产生具有不同振幅的若干个频率。

图6a中的上部图形57是一个电子束偏转电流的y分量的振幅或富立叶系数，而下部图形58则是电子束偏转电流的x分量的富立叶系数。

为从时间范围转换到频率范围，建议采用数字计算机，并且使用快速富立叶变换(FFT＝快速富立叶变换)。

快速富立叶变换(FFT)所涉及的是一种用于计算富立叶系数的算法，它和公知的计算方法(参见J.W.Cooley和J.W.Tukey所著的《复合富立叶序列的一种机器算法》，计算机数学，第19卷，297-301页，1965年4月)相比，仅需要很少的计算开销。

所述FFT涉及的是一种有效地计算时序离散富立叶变换(DFT)的方法，也就是离散的数据模型。离散富立叶变换(DFT)是一种独立的变换，大致相当于富立叶积分变换或富立叶数列变换。

富立叶变换对于连续波的意义相当于DFT对于经扫描后得到的扫描脉冲试样，即所谓尼奎斯特(Hyquist)试样的意义。通过这种方式使DFT特别适于利用数字计算机进行功率图谱分析和滤波器模拟。

无论进行的是普通的或快速的富立叶变换，对于本发明的作用都是相等的，因为都要进行频率范围修正。也就是说，对于教入特定的预选频率而言，如果要求气化材料表面应产生所要求的扫描图形，则对其(变形了的)电流必须进行富立叶变换。

图6a中显示的是频率为1.631kHz的情况，而且电流的x和y分量是分离的。x分量显示在区域57内，y分量显示在区域58内。如果在偏转单元内产生了一个纯粹的正弦波频率，则对其必须进行电流修正，以得到所要求的偏转图形。其中的修正方式是，对频率的正弦波曲线进行富立叶变换，并且通过FFT在教入法中测定富立叶系数并利用所得到的数值进行修正。经过反变换可得到经过修正的电流曲线I’(ωt)。

$I\left({\mathrm{\ω}}_{T}t\right)=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{F}_l{\·e}^{l\·i{\mathrm{\ω}}_{T}t}$

$I\left({\mathrm{\ω}}_{T}t\right)=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{F}_l\·e^{l\·i{\mathrm{\ω}}_{T}t-\mathrm{i\θ}(l\·{\mathrm{\ω}}_T)}---\left(3\right)$

$F_l=F_l\·\frac{\mathrm{\α}(I,\mathrm{\ω}=0)}{\mathrm{\α}(I,\mathrm{\ω}=l{\·\mathrm{\ω}}_T)}$

其中

I＝偏转单元的理想电流

F＝富立叶振幅

l＝整数

I’＝修正电流

F’＝修正富立叶振幅

α＝电子束的偏转角

如果想通过交流电流有目的地控制电子束达到表面15上的一个点，则仅仅调节相应的直流电流强度，以实现所要求的偏转角是不够的，而是还需要调节相应的交流电流强度，以便补偿相误差或角误差。这种基于纯交流方面的考虑原则上也适用于脉冲直流。

除了频率衰减，即电子束偏转幅度的衰减之外，还有可能出现上面提到过的相位扭曲。当偏转系统在x和y的方向上不对称时，例如由于不同的极板尺寸造成了不对称，则将会在这两个方向上出现相位扭曲。本发明对这种相位扭曲或相位误差也可进行修正，其方法如下。

当频率不同时，如加在偏转系统上的电流也是正弦波，则将在坩埚上出现一根对角线。如果此时出现了相位扭曲，则该线将变为一个椭圆。此时应在不同的频率下手动调整出一个相位差，使得直线重新可见。如在若干个测量点上，例如6个，进行此步骤，则可重新通过多项式逼近法对每个任意频率计算出必要的相移。

在学习或教入的过程中，只有6个不同的频率进行富立叶变换。如果想在其他频率上测定偏转线圈电流的修正曲线，则必须如上所述采用内插法计算。该方法例如是根据以下公式计算出一个任意频率ω_q的修正系数，

$\frac{\mathrm{\α}(I,\mathrm{\ω}=0)}{\mathrm{\α}(I,\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_q)}=\underset{i=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i\·l}\·{\mathrm{\ω}}_q^i---\left(4\right)$

其中

l＝x或y

a_i，l＝通过教入法得到的系数

图7中显示的是实施本发明时的x偏转原理图。其中由电源12提供的电压用U_d＝f(x)表示，该式中的流经x偏转线圈的电流可具有任意形式，即直流或交流。

电源12的该电流I_d＝f(t)通过一个合适的装置在模块40内进行上述静态偏转误差修正。从中得出的结果再按照上述方法在装置41内进行动态频率衰减修正。电流以此方式修正后能驱动电子束7精确地打在x坐标的预定点上。

如上所述，在本发明中首先确定电子束应当击中的各点的x、y几何数据。这些点构成一个圆形或椭圆形平面。然后将坐标值与修正电流值对应，所述电流值已经过偏转误差修正。也可不向计算机内输入空间坐标，而是直接输入电子束应当在一个平面上生成的功率分布。然后将得到的电流曲线变换成频率范围，并且在该频率范围内进行修正，即修正各个高次谐波的振幅，也就是说，和较低频率分量相比，相对增强较高频率分量的振幅。再将经过修正的频率图谱反向变换成时间范围，从而生成经过修正的电流曲线。

对于该直接功率分布输入，静态和动态误差修正是一个前提条件。如果没有进行误差修正，则便不能再现预定的功率分布。

功率分布的预定和进行见以下详细说明。

图8显示的是一个矩形坩埚60，其中的深色区域61、62表示此处电子束轰击功率较大，而颜色较浅的区域63、64、65则表示此处电子束轰击功率较小。

坩埚60的长度例如是1米，宽度约10厘米。该坩埚60和点阵区66、67一起显示在一个计算机屏幕68上。利用光笔或类似的工具可以输入所需要的x方向上的功率分布68和所需要的y方向上的功率分布69。

根据本发明，该功率分布是自动生成的。其方式是，电子束的路径被自动计算，同时考虑上述误差修正。计算的结果见图9所示，其中可以看到电子束的路径70。所以矩形坩埚60中的功率分布是通过纵向和横向截面P_x(x)，P_y(y)确定的。在这些表面上的功率分布可通过以下乘式求出：

P( r)＝P_x(x)·P_y(y)；   r＝{x，y}      (5)

以类似的方法也可得出用圆形坩埚代替矩形坩埚的结果。

图10中表示的是一个具有特定额定功率分布的圆形坩埚75。该坩埚75和极坐标77以及一个半径功率平面78一起显示在屏幕79上。通过光笔或类似的工具可将曲线80、81输入，从而确定该坩埚的功率分布图。

图11中显示的是电子束的路径82，它对应于图10所示的功率分布图。在圆形坩埚75的情况下，确定的是一个径向的和方位的功率分布P_r(r)，P_φ(φ)。通过下式可得到功率分布结果：

P( r)＝P_r(r)·P_φ(φ)

其中 r＝{r·cos(φ)，r·sin(φ)}         (6)

偏转电流的频率ω_x、ω_y或ω_r、ω_Θ原则上可自由选取。通过适当地选择频率差，可以影响偏转图形的分辨率和形状。通过相位ρ_x、ρ_y或ρ_r、ρ_Θ可定义电子束路径的起点和终点。通过求得时间T＝I/ω可独立于时间和相位的选择得到上面定义的功率曲线。

所述频率差可特别地选的较小，同时可生成一个偏转图形，它具有较高的分辨率。这样偏转频率在水平方向和垂直方向上可近似。这就减少了偏转系统对较高频率传输特性的要求(反例，电视技术：行频[水平扫描]大大高于场频[垂直扫描])。

图12表示的是用一台计算机92控制两个电子束发射管90、91的系统框图。该计算机92可以和一个控制单元93通信。所述电子束发射管90、91分别产生电子束94、95，其位置和强度由计算机确定。从该计算机92发出的信号可在一个数/模转换器96、97内转换，并且分别经一个放大器98、99处理，每个放大器均和电子束发射管90、91中的一个相连。这里所述的转换器是指32比特的单片机和计算机，，它是由英国公司INMOS开发的，其首先是用于平行的，即同时处理的大量数据。一个普通的微处理器表示4个通信单元，它在即便在处理器的计算工程中也能分别传输10兆字节的数据量。所以计算工作可在非常短的时间内完成。

图13表示本发明所述装置的一个封闭调节回路。标号101表示一个坩埚，其气化产物淀积在一卷薄膜102上。测量装置103、104从坩埚101和薄膜102上汇集的测量数据，例如电阻值和光传输率被输送给一个PID调节器105，其控制信号在装置106内被转换成为电子束偏转图形，并且传输到转换器96、97，然后由其控制电子束90、91。

图14给出了实现本发明的基本步骤。或者可采用功率分布方式或者可采用几何图形方式实现本发明。如果规定模块112是一个几何图形，例如圆形、椭圆形的电子束图形，则在113中空间坐标将被变换成为具有静态修正的空间坐标。该静态修正偏转电流将在114中进行动态频率修正。经115反向变换的结果将输出到转换器。

在图14的左侧表示的是110的位置上未规定几何“图形”，而是功率分布。在111中该功率分布被换算成几何形式。其他步骤则和上面的几何图形方式相同。

Claims (19)

1、一种用于操作电子束的方法，所述电子束用于使处在坩埚内的材料气化或熔化，该方法包括以下步骤：

设置至少一个用于所述电子束的偏转单元，所说至少一个偏转单元提供图像缺陷；

选择待汽化或熔化的材料表面的至少一个点的几何坐标(x，y；r，)；

采用纠错算法将所选择的几何坐标(x，y；r，)转换成电流(I_x，I_y；I_r，I_)，其中所述纠错算法用于校正所述至少一个偏转单元的图像缺陷；

把所述电流提供给所述至少一个偏转单元；

通过所述至少一个偏转单元以某一强度把所述电子束射向待汽化或熔化的材料；以及

以一可预先确定的速度把所述电子束导向待气化或熔化的材料表面的所述至少一个点上。

2、如权利要求1所述的方法，其特征是，不是选择待汽化或熔化的材料表面的至少一个点的几何坐标(x，y；r，)，而是执行以下步骤：

建立所述电子束在待气化或熔化的材料表面上的几何功率分布；

确定待气化或熔化的材料表面上的所述功率分布的几何坐标(x，y；r，)。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述电流采用静态修正。

4、如权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述电流采用动态修正。

5、如权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述电流先采用静态修正，再采用动态修正。

6、如权利要求1或2所述的方法，其特征是，所述电子束的强度被改变。

7、一种用于操作大功率电子束的方法，所述电子束用于使处在坩埚等装置内的材料气化，该方法包括以下步骤：

所述电子束以基本恒定的强度射向待气化的材料，

所述电子束以一可预先确定的速度被导向待气化材料表面的不同点上，

选择待熔化材料表面的、所述电子束相继到达的点的几何坐标，

本发明的特征在于以下步骤，

在所述电子束的静态工况下，测定几何坐标(x，y；r，)相对于偏转电流坐标(I_x，I_y；I_r，I_)的实际对应关系，

在所述电子束的动态工况下，测定几何坐标(x，y；r，)相对于偏转电流坐标(I_x，I_y；I_r，I_)的实际对应关系，

测定修正值，该值表示与几何坐标(x，y；r，)相对应关系的理想电流坐标(I_xi，I_yi；I_ri，I_i)和实际电流坐标(I_x，I_y；I_r，I_)之间的偏差，

利用所测定的修正值对理想电流坐标进行修正，以控制电子束。

8、如权利要求7所述的方法，其特征是，对于预定几何坐标的修正值采用教入法测定。

9、如权利要求7所述的方法，其特征是，电流坐标的修正在频率范围内进行。

10、如权利要求7所述的方法，其特征是，采用最小误差平方法，从所测定的静态工况修正值中得出处在预定几何坐标之间的中间位置。

11、如权利要求10所述的方法，其特征是，对于未经教入法考虑的待气化表面上的某个点(x’，y’)的修正电流采用以下公式求出，

电流振幅

其中的a_i，j是用教入法求出的修正系数，它与坐标x，y相关，而且i和j是等于或大于1的整数。

12、如权利要求7所述的方法，其特征是，采用快速傅立叶变换法，从所测定的动态工况修正值中得出处在预定几何坐标之间的中间位置的修正值。

13、如权利要求12所述的方法，其特征是，流经偏转线圈的理想电流采用以下公式定义，

$I\left({\mathrm{\ω}}_{T}t\right)=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{F}_l\·e^{l\·i{\mathrm{\ω}}_{T}t}$

其中

F_l＝傅立叶振幅

ω_T＝角频率

l＝大于或等于1的整数，

并且对流经偏转线圈的电流I’的动态误差的修正由下式定义，

$I\left({\mathrm{\ω}}_{T}t\right)=\underset{l}{\mathrm{\Σ}}{F}_l\·e^{l\·i{\mathrm{\ω}}_{T}t-\mathrm{i\θ}(l\·{\mathrm{\ω}}_T)}$

其中修正的傅立叶振幅F₁’按下式计算，

$F_l=F_l\·\frac{\mathrm{\α}(I,\mathrm{\ω}=0)}{\mathrm{\α}(I,\mathrm{\ω}=l\·{\mathrm{\ω}}_T)}$

其中

α(I，ω＝0)是电子束直流偏转时的偏转角

α(I，ω＝1·ω_T)是电子束交流偏转时的偏转角

14、如权利要求8所述的方法，其特征是，静态工况的读入方法由以下步骤组成：

在坩埚上面设置一个具有预定标志点的模板；

通过电子束指向标志点；

当电子束抵达标志点时，将各标志点所对应的坐标以及流经偏转线圈的电流值存储。

15、如权利要求8所述的方法，其特征是，动态工况的读入方法由以下步骤组成：

在坩埚上面设置一个具有预定标志点的模板；

让电子束在两个预定标志点之间往复运动；

改变往复运动的频率；

改变交流电的振幅，使电子束分别抵达相应的标志点。

16、一种用于操作大功率电子束的方法，所述电子束用于使处在坩埚等装置内的材料气化，该方法包括以下步骤：

使所述电子束以基本恒定的强度射向待气化的材料，

使所述电子束以一可预先确定的速度被导向待气化材料表面的不同点上，

本发明的特征在于以下步骤，

使待气化材料表面上的预定几何点与射在该点上的电子束的电功率相对应关系，并且所述功率由电子束的强度和速度定义，

求出所述电子束的理想几何运动图的坐标，该图应保证为所述几何点提供预定的电子束功率。

17、如权利要求16所述的方法，其特征是，将所述理想运动图换算成理想偏转电流。

18、如权利要求17所述的方法，其特征是，按照静态或动态偏转误差修正所述理想偏转电流。

19、如权利要求1、7或16所述的方法，其特征是，所述电子束(7’)的强度可缓慢改变。

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