JP4410325B2 - 高出力電子ビームの操作方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、るつぼなどの内部の物質の気化のために使用する高出力電子ビームの操作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高品質の金属および金属合金は電子ビーム溶融プロセスにより製造することができる。金属および合金を溶融させるための熱源として電子ビームを使用することは、非常に複雑な溶融プロセスを実行できる点で有利である。これは、電子ビームが偏向可能であり、よって金属ブロックまたは金属溶融物の表面上の異なる位置に到達することができるからである。電子ビーム技術により、ほぼあらゆる物質を効率的に気化させることができる。その気化率はスパッタリングプロセスのおよそ１００倍である。アルミニウムを使用する標準的プロセスとは別に、高い融点および高い気化温度を有する物質は電子ビーム気化技術と特に関係を有する。これらの物質は、例えば、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｗ、合金、またはＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｒＯ₂、ＭｇＯなどの酸化物である。また、電子ビーム技術は、例えば、Ａｌ＋Ｏ₂→Ａｌ₂Ｏ₃のように、反応性気化に関して必要な安定的かつ均一な気化率を提供する。
【０００３】
電子ビーム気化の特に重要な応用分野は、例えば磁気テープをＣｏＮｉ合金でコートすること、または食料品のパッケージのためのフィルムをコートすることなど、種々の物質で広い表面をコートすることに代表される（これについては、DE−OS4203632、US−PS5302208を参照）。
【０００４】
別の分野での応用は、タービンのブレードの腐食防止コーティングであり、それにおいては例えば１００から２００μｍの厚さのＭＣｒＡｌＹ層を適用し、１００から２００μｍの厚さのイットリウムまたは安定化ＺｒＯ₂の付加的な熱減衰層を付加し、それによりタービンの羽根の貢献度を増加させる。
【０００５】
電子ビームコーティングの主要な有益性は、電子ビームの焦点における高出力密度にあり、それは１ＭＷ／ｃｍ²程度の量に及ぶ。この高出力密度により、高い表面温度が生じ、それにより高い融点を有する物質さえも気化させることができる。典型的には、焦点の表面積は１ｃｍ²未満であり、それにより小さな気化領域のみが作られる。よって、電子ビームが静的しているか、または気化されるべき表面を電子ビームが走査する速度が低すぎる場合、電子ビームエネルギーの多くの部分が物質の奥行き方向に入り込み、そのエネルギーは良好な気化に貢献することはない。
【０００６】
気化されるべき表面上のパワー分布は最新の補助機器により調節することができ、それにより、例えば蒸気溶着された物質はビームの走査パターンを変化させることにより単純な方法で最適化することができる。
【０００７】
電子ビーム気化により適用される層は、しばしば同等のスパッタ層ほど密ではなく、その層の性質も異なる。電子ビーム気化により適用される層の性質を改善するために、蒸気溶着プロセス中に付加的なプラズマの支援を与えることができる。
【０００８】
電子ビームの残留ガス粒子との相互作用により、コーティングチャンバ内の圧力、および電子ビーム銃と気化されるべき物質との間の間隔、すなわちビーム長は規定の値を超えてはならない。例えば、２０〜５０ｋＶの加速度ポテンシャルについては、圧力は１０^-2ミリバール（mbar）を超えてはならない。電子ビーム長は１ｍを超えてはならない。さらに高い圧力または長い電子ビーム長が必要であるならば、加速度ポテンシャルを増加させるべきである。
【０００９】
また、高出力レベルでの圧力の増加は、物質の不純物のシールド効果、例えばＨ₂Ｏまたは水の結晶化により生じ得る。さらに、いくつかの酸化物は部分的に金属または酸素に分解する。圧力の増加は層の性質を変化させ、または電子ビームの集束を外れさせ得る。従って、気化物質は不純物および水のシールド効果の観点から最適化されるべきである。
【００１０】
１０００ｋＷに至るパワーと１６０ｋＶに至る加速度ポテンシャルを有する電子ビーム銃が入手可能である。コーティングの目的では、一般的に１５０〜３００ｋＷのパワーと３５ｋＶの加速度ポテンシャルを有する電子ビーム銃が使用される。電子ビームの偏向および集束は一般的に磁気コイルにより行われる。磁気コイル中を流れる電流を変化させることにより、ビームの集束およびビームの偏向を容易に制御することができる。
【００１１】
一般的に、電子ビーム溶接においては１０ｋＨｚ以上の走査周波数が使用される。一方、コーティングの応用においては、慣用的な周波数は１００〜１０００Ｈｚであり、この周波数は基本振動数に関係する。高調波が存在すれば、例えば１０ｋＨｚの周波数が含まれる。走査周波数は、電子ビームが例えばるつぼの面上の２点を往復する周波数を示すと理解される。
【００１２】
高出力電子ビームの制御では、特に以下の点に注意しなければならない。それは、電子ビーム銃への電源供給、電子ビーム銃内での電子ビームの案内、および処理面上における電子ビームの案内である。
【００１３】
高出力電子ビームを制御するいくつかの方法が既知であり、それらは溶融物（EP0184680、DE3902274C2、EP0368037、DE3538857A1）に対する電子ビームの入射点を検出するセンサを設けた特殊偏向システム（DE4208484A1）を含む。また、１以上の電子ビームを有する偏向システム（US-A4988844）、または磁界センサを有する電子ビーム位置制御器（DE3532888C2）が既に提案されている。
【００１４】
また、マイクロプロセッサにより実行される高出力電子ビームの制御が知られており、そこでは従来型のハードウェアをソフトウェアで動作させている。そのソフトウェアは、電子ビームの均一な分散と、溶融の指示または式の実行における大きな柔軟性のために設計されている（M.Blum, A.Choudhury, F.Hugo, F.Knell, H.Scholz, M.Bahr等による、複合溶融プロセスのための新しい高速電子ビーム銃制御システムの応用、EB Conference, Reno/USA, October 11-13, 1995）。高周波制御電子ビームシステムの本質的特性は、カメラおよび気相における要素の濃度の検出ユニットである。この制御システムは、様々の方法、例えばチタンの炉床溶融またはインドロップ（in-drop）溶融などに適用可能である。また、それは５個までの電子ビーム銃を設けることができるいくつかの溶融炉の同時制御に適している。また、それにより非対称な溶融構成、例えば溶融されるべき物質が水冷銅製トラフを通じて片側に供給される水平ドロップ溶融、もしくは溶融物質のオーバーフローにより片側で高入力エネルギーが生じる他の電子ビーム構成などにおいてさえ、正確に規定された表面温度分布を有する電子ビームプロセスを実行することが可能である。また、その制御は、ウィンドウズによるソフトウェアによって動作する、従来のＰＣによる既知の構成で達成することができる。
【００１５】
高出力電子銃の上述の制御の改良においては、電子ビーム走査・制御システムが使用され、それにより電子ビーム走査速度が直接的に制御される（M.Bahr, G.Hoffmann, R.Ludwig, G.Steiniger等の高出力電子ビーム技術の新規な走査・制御システム（ESCOSYS^TM）、Fifth International Conference on Plasma, Surface Engineering, Garmisch-Partenkirchen, September 1996を参照）。いわゆる“内部インテリジェンス”に依存するこの制御システムは２つの本質的特性を有する。一つの特性は誤差補償に関する。ここでは、電子ビームの動作がまず“トレーニング”され、そこでは低出力でスクリーン上で開始する。この“トレーニング・プロセス”の後、電子ビーム銃の周波数減衰および偏向誤差を自動的に補償する。ビームの円形パターンが円形のまま残り、異なる入射角においてさえ楕円形などとはならない。この円の大きさは走査周波数が変化した場合でさえ一定に保たれる。偏向誤差補償は、２×ｎ次元の多項式関数を適用することにより実行される。周波数減衰は、高速フーリエ変換アルゴリズムの適用により振幅と位相角の観点から補償される。こうして、幾何学的パターンのみならず、非常に緻密なパターンでさえも補償される。それでも、システムは１０ｋＨｚの周波数制限で動作し、それは１ｋＨｚまでの繰り返し周波数を許容する。これは、周波数減衰補償の必要性を最小化する。上述の誤差補償と共に、所定表面に対するパワー補償の直接入力が不可欠である。既知のシステムでは、良好な均一性を有する蒸気溶着相を高速で実現することができる。例えば反応性Ａｌ₂Ｏ₃プロセスでは、１０m/secのコーティング速度が実現可能である。上述の偏向誤差補償および周波数減衰補償を達成するためのそれ以上の詳細については、上記文献には記載されていない。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の従来技術に基づいて、本発明の課題は、事前に設定された走査および出力パターンについての誤差補償を伴いつつ電子ビームを自動的に偏向させることを可能とする方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の課題は、請求項に記載された特徴的な方法により解決することができる。
【００１８】
本発明により達成される有益性は、特に、所定の溶融物表面上の電子ビームの幾何学的経路またはそれにより作られるパワー密度が自由に選択可能であり、かつ誤差が補正されることにある。ユーザは、発生しうる誤差を考慮する必要はなくなり、空間座標により直接入力を行うことができる。加えて、ユーザはパワー分布を直接的に規定することができ、以前のように幾何学的偏向パターンの適当な組み合わせにより実験的にのみパワー分布を確定する必要が無くなる。さらに、本発明によれば閉制御ループを使用することができる。例えば気化プロセスにおいて気化速度をその場で測定し、それから制御アルゴリズムにより新規なパワー分布を生成して、例えばより均一なコーティングを達成する場合、それ以前に誤差補正が実行されていれば、そのような制御ループを非常に精密に再度調整することができる。これらの誤差が補正されなければ、閉制御ループについてさえ残留誤差が残る。
【００１９】
溶融については、本発明により、適当な測定システムが利用可能であれば、例えばるつぼまたはインゴット上の温度分布を制御または調整することができる。こうして、物質の構造ならびに合金成分の望ましくない気化損失をさらに最適化することができる。
【００２０】
本発明は受動的なシステム、すなわち溶融すべき物質上で電子ビームの入射点の測定を行わないシステムを含む。むしろ、システムは、溶融プロセスの開始時のある時刻において実行される認識（“ティーチイン”）を通じて入射点を知る。しかし、本発明は、電子ビームの入射点を直接的に測定する自動測定システムと結合することができる。受動的システムの実行では、まず空間座標で偏向パターンを規定し、一時的にメモリへ記憶する。電子ビームの指定された偏向周波数、ならびに溶融すべき物質の表面上の規定された点間の距離から、電子ビームの偏向速度を計算する。次に、特に誤差補正アルゴリズムを含む特殊なアルゴリズムにより、空間座標内で規定された偏向パターンを、偏向コイルについて電流値中に規定されたそのような偏向パターンに変換する。ここでも、追加的に指定された偏向周波数から偏向速度が生じる。こうして得られた電流パターンを次に電流増幅器に直接供給し、その電流増幅器は磁気偏向コイルを駆動して磁気的に電子ビームを偏向する。この点から、渦電流により発生する周波数依存性の減衰および電流増幅器内の周波数依存性の非線形ひずみ、ならびにパルス出力と電子ビームとの間の周波数応答におけるあらゆる他の非線形性を考慮する必要がない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
高出力電子ビーム銃１の原理を図１に示す。符号２は、電源Ｕ_fに接続され、電子３を放出する加熱フィラメントを示す。フィラメント２の下方には、通常はブロック形状の静止したカソード４が配置される。カソード４は、そのブロック４自身が電子６を放出する点まで電子流により加熱される。電子６を加速する高電圧Ｕ_bは、ブロック４とアノード８との間に存在する。ベーネルトシリンダ５は静電界に影響し、電子をアノード８の穴へ集束させ、それにより集中電子ビームを発生する。電子ビームは磁気レンズ９、１０によりさらに集中される。符号２１は磁気偏向ユニットを示し、それは電源１２から電流Ｉ_dを供給される。電源１２は直流または交流を供給することができ、その電流の振幅および／または周波数は可変である。
【００２２】
電子ビーム銃１の下には、るつぼ１３が断面で示され、そのるつぼ１３内には金属または金属合金１４が入れられる。偏向された電子ビーム７’は図１の軸１６に対してαの偏向角を有し、金属１４の表面１５に当たる。
【００２３】
符号２０はサーマルカメラを示し、それにより金属１４の表面１５上の温度分布を検出することができる。
【００２４】
図２は電子ビーム銃１の下部２２のみを示し、偏向ユニット１１は別個に図示されておらず、下部２２の内部に配置されている。るつぼ１３および金属表面１５は斜視的に示されている。
【００２５】
ここでは線のみで示す電子ビーム７’は、金属表面１５全体に渡って通過することができるように偏向され得ることが分かるであろう。金属表面１５への電子ビーム７’の個々の入射点は符号Ｐ₁−Ｐ₈で示される。
【００２６】
入射点Ｐ₁−Ｐ₈は、金属表面１５上でｘ、ｙ座標または極座標により規定することができる。入射点の座標の確立に電子ビーム７’の長さを含めるならば、球座標を使用することが論理的な選択である。ここで、２３からＰ₁までの距離は、電子ビームの電子ビーム銃の出口から入射点Ｐ₁までの距離を示し、図示しない第１の角αは電子ビームの中心軸からのずれを示し、同様に図示しない第２の角βは例えば時計周りの回転角を示す。テレビ管の技術において知られるように、ある電流がｘ、ｙ偏向コイルに流れると、電子ビームはある点まで偏向する。このように、ｘ、ｙ偏向コイルを流れる電流と電子ビーム７’の入射点との間には明確な関連が存在する。
【００２７】
しかし、空間座標と理想的電流座標のこの確立された関連は静的偏向電子ビーム７’にのみ、すなわち電子ビーム７’が移動せず、かつ外乱が存在しない場合にのみ当てはまる。例えば電子ビーム銃がるつぼ１３に対して傾斜して配置され、またはるつぼ１３の位置に付加的な外乱電界または外乱磁界が現れるならば、偏向ユニットが理想的条件下で規定の入射点Ｐ₁−Ｐ₈に関連する電流を供給された場合でさえ、電子ビーム７’は規定の入射点Ｐ₁−Ｐ₈に到達することはできない。しかし、気化プロセスでは、電子銃管への内部損傷を最小とするため、一般的に電子ビーム銃はるつぼに対して直角に配置されることはなく、るつぼに対して中央に配置される。これにより、例えば金属表面１５上の四角形偏向パターンは湾曲台形偏向パターンに歪み、もしくは円形の偏向パターン入力が楕円形となる。これにかかわらず、気化すべき物質上に四角形または円形を生じさせるためには、結果的に理想的電流パラメータの補正を行わなければならない。すなわち、偏向ユニットは、電子ビームの厳密に対称的な方向付けおよび純粋に誘導性の偏向ユニットの場合と同様の電流を供給されてはならない。
【００２８】
ここで述べる気化プロセスでは、電子ビーム７’の強度は常に一定、またはゆっくりとのみ変化する。電子ビーム７’による金属表面１５へのパワー入力は、電子ビーム７’が一点から他の点へ移動する速度により決定される。電子ビームは厳密には１つの点ではなく、それゆえその直径分だけある時間に渡って点上に残留するため、金属表面上の点上の電子ビームの滞留時間と呼ぶこともある。
【００２９】
上述の静的偏向誤差およびその影響を決定するため、実際の偏向の理想的な偏向からの偏差を確立しなければならない。理想的な偏向は計算により容易に決定できるが、実際の偏向はそうはいかない。よって、実際の偏向はトレーニングプロセスにより決定される。
【００３０】
図３は偏向誤差の補正のためのトレーニング（ティーチイン）プロセスを説明するための図である。既に述べたように、そのような偏向誤差は、るつぼの中心軸に対する電子ビーム銃の位置の傾斜、またはるつぼに対する付加的な磁界により引き起こされる。そのような偏向誤差の補正は、移動しない電子ビームに対して行わなければならないので、静的補正とも呼ばれる。図３では電子ビーム銃２２および電子ビーム７’のみが示される。ティーチインプロセスのトレーニングに不可欠なのは、マーカーシート５０であり、それはるつぼ上に配置され、図示されず、マーカー点Ｐ₉−Ｐ₁₉を有する。電子ビーム７’の偏向電流を変化させることにより、電子ビームをこれらのマーカー点に手動または個別に向ける。電子ビーム７’が図３に示す位置にあるとすると、Ｐ₁₀についての既知の空間座標ｘ₁₀、ｙ₁₀がメモリ５１に記憶される。これら空間座標に関連付けられるのは電流座標Ｉ_x10、Ｉ_y10、すなわち電子ビーム７’を図３の位置に入射させるｘおよびｙ偏向のための電流である。これらは実際に流れる電流であり、ｘ、ｙ座標と関連付けされると共に既に誤差補正を含む理想電流とは異なる。実際に流れる電流Ｉ_x10、Ｉ_y10は規定の点に達するために必要であり、同様にメモり５１に記憶され、Ｐ₁₀の空間座標と関連付けされる。次に同様の処理を空間座標Ｐ₉およびＰ₁₁−Ｐ₁₉について行い、最終的にはメモリ内の全ての点Ｐ₉−Ｐ₁₉を特定の偏向電流Ｉ_x9、Ｉ_y9．．．Ｉ_x19、Ｉ_y19と関連付ける。既存の破壊要因に拘わらず電子ビームが正確に点Ｐ₉−Ｐ₁₉に当たることを確実にするには、これらの点に関連付けされると共にトレーニング処理により確定された電流振幅を対応するｘ、ｙ偏向ユニットへ供給することのみが必要である。トレーニングプロセスでは偏向電流として直流電流を使用することが好ましいが、取得した補正因子を交流電流の振幅に適用することもできる。
【００３１】
空間ｘ、ｙ座標の個々の電流座標への関連付けにより、金属表面の空間領域から偏向コイルの電流領域へのある意味における変換が行われる。先に述べたように、これら電流座標は電子ビームを規定のｘ、ｙ点に近づけるために流さなければならない実際の電流振幅を示す。しかし、各ｘ、ｙ点に理想的電流座標を割り当て、次に理想的電流座標にＩ_ideal／Ｉ_actualにより示される補正因子を割り当てることもできる。
【００３２】
矩形のるつぼ６０に対するトレーニングプロセスの結果を図４に示す。るつぼ６０は、正確に接近されるべき点Ｐ₁−Ｐ₂₂を有することが理解される。前述の静的偏向誤差の対象となる電子ビームによってこの正確な接近を達成するために、ｘおよびｙ座標の電流は６１に示す値を有しなければならない。点Ｐ₁’−Ｐ₂₂’が示すこれらの電流は補正され、矩形上には位置せず、歪んだ台形上に位置する。
【００３３】
６１により示すように、電子ビームが最終的にるつぼの点Ｐ₁、．．．Ｐ₂₂に当たるために、偏向コイルは補正後の電流振幅を与えられなければならない。それにも拘わらず、ティーチインプロセスのために十分なるつぼ６０について示される点グリッドは動作のためには比較的粗い。中間領域においても偏向コイルに正確な電流を与えることを可能とするために、補間手法を利用することができる。図４の６０に示すより大きな点密度を得るため特に適当な方法は最小自乗法にある。この方法において、補償多項式
（１）

がｎ個の測定値の組ｘ_i、ｙ_iについて決定される。補償基準となるのは補償多項式からの個々の測定点の自乗偏差であり、それは最小とされるべきである（H.Frohner, E.Ueckertの電気的測定学の基礎、1984、pp.208,209）。この補償プロセスにおいて、個々の電流、すなわち点Ｐ₁、．．．Ｐ₂₂の中間位置の電流も以下の式により確定される。
（２）

ここで、ｋ＝ｘ’、ｙ’、かつ、
ａ_i,j,k＝点Ｐ₁、．．．Ｐ₂₂におけるトレーニングプロセスの過程で決定される定数、である。
【００３４】
全ての座標に対して上記誤差を補正するために、こうして２次元ｎ次多項式により偏向誤差を計算する。すなわち、この多項式により平面上のあらゆる任意の点（ｘ、ｙ）について電流振幅（Ｉ_x、Ｉ_ｙ）を計算することができる。
【００３５】
このプロセスにより、ティーチインプロセス中に測定されない位置さえも空間領域から電流領域へ変換することができる。
【００３６】
静的偏向補正が実行された後、動的周波数補正が行われる。すなわち、偏向コイルに適用された純粋に正弦波状の交流から、補正された交流が決定される。周波数誤差が実際の動作において生じるため、この交流補正は必要である。周波数誤差が伴うものは、図５を参照して以下に説明される。
【００３７】
電子ビームの１次元運動を示す図５において、電子ビーム７’の純粋に正弦波状の偏向が示される。この場合、偏向ユニットを通じて流れるＩ＝Ｉ₀・sinωtの電流の振幅および周波数により電子ビーム７’の偏向が決定され、その電流は電源１２により供給される電圧Ｕ＝Ｕ・Ｕ₀sinωtの電圧により生じる。所定の電流強度Ｉ₀および所定の繰り返し交流周波数ω₁について、電子ビーム７’は第１の位置Ｉから第２の位置ＩＩへ移動し、また再度戻り、詳細には個々の交流周波数の繰り返し周波数で移動する。こうして電子ビーム７’は金属表面上でＩとＩＩとの間に直線を描く。この場合、中心軸１６の右への偏向角α₁は中心軸１６の左への偏向角α₁’と一致する。角α₁、α₁’の両者は偏向ユニット１１を通じて流れる個々の交流の電流強度により決定される。交流電流周波数が一定の電流強度と共に増加するならば、理論的に電子ビーム７’は位置ＩとＩＩの間で、高周波で振動を繰り返す。
【００３８】
しかし、実際には、いわゆる周波数減衰が生じるので偏向角α₁およびα₁’の両者は周波数に依存する。周波数に依存する減衰は、本質的には磁気偏向システム中の渦電流損失により生じる。偏向システムはコイルのみにより構成されるわけではなく、鉄も含むので、コイル電流への周波数依存性の反応は鉄内部を流れる渦電流により生まれる。
【００３９】
加えて、コイルに通電するアンプの非線形周波数特性は、特にコイル電流の周波数依存性につながる。最終的には、これは等しい電流強度であるが増加した周波数ω₂について、偏向角α₂およびα₂’がα₁およびα₁’より小さいことを意味する。これらの２つの角度の差α₁−α₂は周波数減衰の位相シフトΘとも呼ばれる。この周波数減衰Θは交流電流周波数の関数であり、すなわちΘ＝ｆ(ω)である。
【００４０】
また、ｘおよびｙ方向についての偏向システムが異なる時にも位相シフトΘが生じうる。この位相シフトΘはｘおよびｙ偏向方向に責任を有する個々の偏向コイル内の電流の時間領域オフセットを示す。
【００４１】
図６の上側の３１は、電子ビームで所定の点に正確に近づくように、偏向ユニットのｘ方向の電流振幅が周波数の増加に伴って変化しなければならない様子を示す。一方、図６の下側の３２は、電子ビームが所定の点に正確に近づくように、ｙ方向の振幅が周波数の増加と共に増加しなければならない様子を示す。各々の場合、周波数の増加に伴って現れる減衰因子を補償するために振幅を増加させなければならない。上述の関数接続振幅＝ｆ（ω）は、異なる周波数について実験的に決定し、学習、すなわちメモリに記憶することができる。例えばこれらの目的で、トレーニング中に検出されるべき６個の異なる周波数が十分である。静的偏向誤差のトレーニングとは対照的に、電子ビームは異なる点Ｐ₁．．．Ｐ₁₉に向けられる必要はない。むしろ、１座標を考慮すると、２点間、例えばＰ₉とＰ₁₀の間で振動すれば十分である。６個の各周波数について、次に電子ビームがＰ₉とＰ₁₀に到達するように十分に振幅を変化させる。
【００４２】
実際には、このティーチインプロセスは２つの座標について実行される。この点において、周波数を変化しつつ２つの偏向ユニットについて正弦波状電流プロファイルを指定する。周波数減衰が生じると、画像化された楕円、または画像化された円、もしくは直線の振幅が減少する。ｘおよびｙ方向の電流振幅を再調整し、規定の偏向振幅を再度達成するようにする。しかし、周波数減衰により、偏向ユニットに供給する電流の振幅を変化させなければならないのみならず、湾曲形状の補正もが生じる。純粋に正弦波状の電流が電源から偏向ユニットに供給されるならば、動的誤差により正弦波形状の歪みが生じる。すなわち、電子ビームを偏向する電流は純粋な正弦波形状を有さず、むしろ高調波が重畳された正弦波形状を有する。この歪んだ正弦波状湾曲の再生を可能とするために、フーリエ変換を実行する。フーリエ変換プロセスにより、時間依存性の関数を周波数依存性のフーリエ変換に変換し、またはその逆を行うことが可能である。こうして、フーリエ変換は時間領域の関数から周波数領域の関数を生成する動作を提供し、時間領域から周波数領域への推移、またはその逆を生じさせる。偏向ユニットを通じて送られる電流の超過時間をフーリエ変換すると、異なる振幅のいくつかの周波数が生じる。
【００４３】
図７の上部の５７は電子ビームの偏向電流のｙ成分についてのフーリエ定数の振幅を示し、下部の５８は偏向電流のｘ成分についてのフーリエ定数を示す。
【００４４】
時間領域から周波数領域への変換において、デジタルコンピュータを使用しているならば、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の利用が常に勧められる。
【００４５】
高速フーリエ変換（ＦＦＴ）はフーリエ定数の計算のためのアルゴリズムであり、それは従来の計算方法に比べて計算のための処理が非常に少ない（J.W.CooleyとJ.W.Tukeyの“複雑なフーリエ系列の機械計算アルゴリズム”、Math. Of Computers, Vol.19, pp.297-301, April, 1965を参照）。
【００４６】
ＦＦＴは、時系列の離散的フーリエ変換（ＤＦＴ）、すなわち離散的データパターンの効率的な計算のための方法に関連する。ＤＦＴは、フーリエ積分変換またはフーリエ系列変換などと同様の独立変換である。
【００４７】
連続波に対してフーリエ変換が意味することは、ナイキストサンプルとして知られるサンプリング定理に従ってパルスサンプルに対してＤＦＴが意味することである。これにより、ＤＦＴはデジタルコンピュータによるパワースペクトル分析およびフィルタシミュレーションにおいて特に有用である。
【００４８】
通常のフーリエ変換または高速フーリエ変換のいずれが実行されるかに拘わらず、周波数領域で補正が行われることは本発明において重要である。これは、ある指定周波数についてのティーチインプロセス中に、気化させるべき物質の表面上に所望の走査パターンを生成するそれら（歪んだ）電流がフーリエ変換の対象となることを意味する。
【００４９】
これが図７に周波数１．３６２ｋＨｚについて示され、詳細には電流のｘおよびｙ成分に分けられている。ｘ成分は領域５７に示され、ｙ成分は領域５８に示される。純粋に正弦波状の周波数が偏向ユニットに供給されるならば、所望の偏向パターンを生成するためにそれを電流の観点から補正しなければならない。補正はここで行われ、周波数の正弦波状プロファイルはティーチインプロセス中に決定された値に対応するＦＦＴにより補正される。補正された電流プロファイルＩ’（ωt）は逆変換により得られる。
（３）

ここで、Ｉ＝偏向ユニットの理想電流
Ｆ＝フーリエ振幅
ｌ＝整数
Ｉ’＝補正された電流
Ｆ’＝補正されたフーリエ振幅
α＝電子ビームの偏向。
【００５０】
交流により電子ビームを故意に金属表面１５上の点に方向付けたい場合、対応する直流の強度が所望の偏向を達成するように電流強度を調整するのみでは十分ではない。むしろ、位相または角度誤差を補償するように交流の電流強度を調整しなければならない。純粋な交流に当てはまるこれらの考慮は、原理的にパルス直流にも当てはまる。
【００５１】
周波数減衰、すなわち電子ビームの偏向振幅の減衰に加えて、既に述べたように位相角回転も生じる。例えば磁極の寸法の相違により偏向システムがｘおよびｙ方向に対称的でないならば、これらの２つの方向間の位相シフトが生じる。この位相シフトまたは位相誤差も本発明によって、詳細には以下の方法で補正される。
【００５２】
異なる周波数について、正弦波状電流プロファイルは再度偏向に供給され、その結果、るつぼ上に対角線に走る線が生じる。位相角の回転が生じると、この線から楕円が生じる。次に異なる周波数において手動で位相差が調整され、一つの線が再度見えるようになる。これを数個、例えば６個の測定点について行うと、多項式近似によって各任意の周波数についての必要な位相シフトを再度計算することができる。
【００５３】
トレーニングまたはティーチイン中に、おそらく６個の周波数のみがフーリエ変換される。他の周波数について偏向コイルを通じて補正された電流プロファイルを決定したいと欲すれば、既に示したように近似処理を使用しなければならない。これは、例えば以下の式により任意の周波数ω_qについての補正因子の計算に含まれる：
（４）

ここで、ｌ＝ｘまたはｙ
ａ_i、ｌ＝ティーチイン処理において決定される係数。
【００５４】
図８はｘ偏向についての本発明の実行を示す。ここで電源１２により供給される電圧を符号Ｕ_d＝ｆ（ｘ）で示し、それは電流が任意の形態を取りうる事実、すなわちそれが直流でも交流でもよく、ｘ偏向コイルの通電のために提供されることを示すことを意図している。
【００５５】
この電源１２からの電流Ｉ_d＝ｆ（ｔ）はブロック４０内の適当なユニットにより、上述の静的偏向誤差補正に供される。この結果は上述のプロセスに従って、ユニット４１内での動的周波数減衰補正に供される。こうして補正された電流は、電子ビームが当たると想定される正確なｘ座標に電子ビームが当たるという効果を有する。
【００５６】
上記の結果、本発明について、まず電子ビームによりカバーされるべき点を指定する幾何学的ｘ、ｙデータを指定する。これは例えば円形または楕円形の表面とすることができる。次にこれらの座標を、偏向誤差を補正する補正後の電流値と関連付ける。空間座標をコンピュータに入力する代わりに、電子ビームが表面上に生成すべきパワー分布を直接的に入力することもできる。こうして取得された電流プロファイルを次に時間領域から周波数領域に変換し、個々の高調波の振幅を補正することにより、この周波数領域内で補正する。すなわち、高周波成分の振幅を低周波成分の振幅に比べて相対的により強く増加させる。そのうえ、補正された周波数スペクトルを時間領域に再変換して戻し、補正されたプロファイルを得る。
【００５７】
静的および動的誤差補正は、このパワー分布の直接入力についての前提条件を示す。誤差補正が行われなければ、指定されたパワー分布も再生することができない。
【００５８】
パワー分布の指定および動作を以下にさらに示す。
【００５９】
図９は矩形のるつぼ６０を示し、黒く示した領域６１、６２は大きな電子ビーム衝突パワーを示し、それほど黒くない領域６３、６４、６５は小さな電子ビーム衝突パワーを示す。
【００６０】
るつぼ６０は例えば長さ１メートル、幅約１０ｃｍである。るつぼ６０は、コンピュータモニタのスクリーン６８上にグリッド領域６６、６７と共に示される。ｘ方向における希望パワー分布６８とｙ方向における希望パワー分布６９は、ライトペンなどにより入力することができる。
【００６１】
本発明によれば、このパワー分布を自動的に作成する。これは、電子ビームの経路を自動的に計算し、上述の誤差補正を考慮することで行われる。この計算の結果を図１０に示し、そこでは電子ビームの経路７０が認識される。こうして、矩形のるつぼ６０上のパワー分布を長さ方向および横方向のプロファイルＰ_x（ｘ）、Ｐ_y（ｙ）により指定する。この面上でのパワー分布を以下の乗算から得る。
（５）

矩形のるつぼでなく円形のるつぼでも、指定は同様に行われる。
【００６２】
図１１は、ある公称パワー分布を有する円形のるつぼ７５を示す。このるつぼ７５は極座標７７および半径パワー面７８と共にモニタスクリーン７９上に示される。ライトペンまたは他の適当な手段により湾曲８０、８１を指定することができ、それによりるつぼのパワー分布を確立する。
【００６３】
図１１に示すパワー分布と関連する電子ビームの経路８２を図１２に示す。円形のるつぼ７５の場合、半径および方位のパワー分布Ｐ_r（ｒ）、Ｐ_ψ（ψ）を指定する。次に、結果として生じるパワーは以下の式から得られ、
（６）

ここで、
（７）

である。偏向電流の周波数ω_x、ω_y、またはω_r、ω_ψ、は原理的に自由に選択できる。偏向パターンの解像度および形状は、周波数差の適当な選択により影響することができる。このビーム経路の始点および終点は、位相ρ_x、ρ_y、またはρ_r、ρ_Θにより規定される。時間Ｔ＝１／ωに渡って平均化し、周波数および位相の選択とは独立して上記の規定されたパワープロファイルを得る。
【００６４】
特に、周波数差は小さく選択することができ、同時に偏向パターンを高解像度を示すように生成することができる。よって、偏向周波数は、水平および垂直方向において類似したものとなる。これにより、高周波の伝送特性に関する偏向システムの要求事項が減少する（テレビ技術における反対の例：ライン周波数（水平偏向）は画像周波数（垂直偏向）より非常に大きい）。
【００６５】
図１３は、コンピュータ９２による２つの電子ビーム銃９０、９１の駆動システムの概略ブロック図を示す。コンピュータ９２は制御ユニット９３と通信可能である。電子ビーム銃９０、９１は各々電子ビーム９４、９５を生成し、それらの位置および強度はコンピュータ９２により指定される。信号はこのコンピュータ９２から、Ｄ／Ａ変換器９６、９７を有するトランスピュータへ発行され、それら各々がアンプ９８、９９を駆動し、アンプ９８、９９の各々は２つの電子ビーム銃９０、９１の一方に接続されている。トランスピュータは３２ビットチップで英国の会社ＩＮＭＯＳにより開発されたものを示し、とりわけ多量のデータを並列に、即ち同時に処理するために役立つ。通常のマイクロプロセッサは４個の通信ユニットを使用し、その各通信ユニットはプロセッサの計算処理中においてさえ１０ＭＢのデータを送信することができる。こうして計算集約タスクを非常に短時間で処理することができる。
【００６６】
図１４は本発明による装置の閉制御ループを示す。符号１０１はるつぼを示し、その気化結果物はロールフィルム１０２に至る。測定ユニット１０３、１０４によりるつぼ１０１またはフィルム１０２から採取された測定データ、例えば電気的抵抗または光学的透過率はＰＩＤレギュレータ１０５へ供給され、その制御信号は装置１０６内で再計算されて電子ビーム偏向パターンとなり、電子ビーム銃９０、９１を駆動するトランスピュータ９６、９７へ供給される。
【００６７】
本発明の実行において不可欠なステップを図１５に示す。パワー分布または幾何学的パターンのいずれかを指定することができる。ブロック１１２において電子ビームについての幾何学的パターン、例えば円、楕円などが指定されると、ブロック１１３で空間座標を、静的補正を伴って偏向電流に変換する。これら静的に補正された偏向電流はブロック１１４で動的周波数補正に供される。逆変換の結果がブロック１１５でトランスピュータへ送られる。
【００６８】
図１５の左側では、ブロック１１０において幾何学的パターンの代わりにパワー分布が指定される。幾何学的形状がブロック１１１で計算される。その後のシーケンスは幾何学的パターンが指定された場合と同様である。
【００６９】
【発明の効果】
本発明により、事前に設定された走査および出力パターンについての誤差補償を伴いつつ電子ビームを自動的に偏向させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】偏向可能な電子ビームを有する電子ビーム溶融装置または電子ビーム気化装置の概略図である。
【図２】その表面に渡って偏向可能な電子ビームを案内する溶融るつぼを示す図である。
【図３】調整目的でるつぼの上に配置されるスクリーンプレートの図である。
【図４】指定されたパターンを達成するための実際のｘ、ｙ電流成分の図式状表示である。
【図５】偏向周波数の増加に伴う、電子ビームの増加する偏向誤差を説明する概略図である。
【図６】周波数減衰補償を示す図であり、周波数の増加に伴って電流の振幅が半径方向および接線方向において増加する。
【図７】補正された偏向電流プロファイルのｘおよびｙ電流成分の周波数スペクトルである。
【図８】偏向誤差の静的および動的補正を実行する構成の概略図である。
【図９】矩形のるつぼについて指定されたパワー分布を示す図である。
【図１０】図９に示すパワー分布についての電子ビーム経路を示す図である。
【図１１】円形のるつぼについての指定されたパワー分布の図である。
【図１２】図１１によるパワー分布についての電子ビーム経路を示す図である。
【図１３】本発明による２つの電子ビーム銃の駆動の概略図である。
【図１４】閉制御システムの概略図である。
【図１５】本発明による種々のプロセス経路の幾何学的表示の図である。
【符号の説明】
１…電子ビーム銃
２…フィラメント
３…電子
４…カソード
５…ベーネルトシリンダ
６…電子
７’…電子ビーム
８…アノード
９、１０…磁気レンズ
１１…磁気偏向ユニット
１２…電源
１３…るつぼ
１４…金属合金
１５…表面
５０…マーカーシート

Claims (3)

1. るつぼ又はそれと同等の容器の内部の物質の気化又は拡散のために使用する高出力の電子ビームの操作方法であって、
   電子ビームに偏向を与える少なくとも１つの偏向ユニットが利用可能に準備される工程と、前記偏向ユニットは偏向の誤差を持っており、
   前記気化される又は拡散される物質の表面の少なくとも２つの場所の幾何学的な座標（ｘ、ｙ、ｒ、ψ）を選択する工程と
   ティーチイン手法によって、電子ビームの静止状態での電流の増幅度を変化させることにより、前記選択された位置に対応する偏向ユニットへの電流（Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｒ、Ｉψ）を補正し、誤差の最小自乗法を使用して、電子ビームの予め決定している径路の途中の位置に対する補正された偏向ユニットへの電流を補間法により計算する工程と、
   ティーチイン手法により、電流増幅を変化させることにより、電子ビームの動的な操作中の、前記電子ビームの径路における前記選択された座標上の位置に対応する偏向ユニットへの電流（Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｒ、Ｉψ）の補正を行う工程と、
   前記電流増幅の変化は、偏向ユニットへの電流の周波数に依存するようにして、それによって、予め決められた、気化又は拡散のための物質の表面の２つの所定位置の間を行ったり来たりするように電子ビームを偏向させるために、該偏向の周波数を変化させ、それよって、電子ビームがそれぞれの場合において、前記予め決められた２つの所定位置に到達するように、偏向ユニットへの電流の増幅が変化するようにしており、
   補正された偏向ユニットへの電流を少なくとも１つの偏向ユニットへ供給する工程と、 少なくとも１つの偏向ユニットにより指定可能な速度と、そして気化又は拡散のための物質の表面に亘って特定の強度とで、電子ビームを案内する工程と、
   からなる電子ビームの操作方法。
2. 気化される又は拡散される物質の表面上の電力の分布を確定する工程と、
   気化される又は拡散される物質の表面上の電力の分布に対して幾何学座標（ｘ、ｙ、ｒ、ψ）を対応させる工程と、を含む請求項１又は２に記載の操作方法。
3. 補正前の偏向ユニットへの電流の値が以下のフーリエ級数式１で表され、この式をフーリエ変換して表示する工程と、を含み、
   

   

   Ｆ_ｌ＝フーリエ振幅、ω_Ｔ＝繰り返し周波数、ｌ＝１以上の整数、ｔは時間
   動的な操作中のエラーを補正した偏向ユニットへの電流値が以下のフーリエ級数式２で規定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の操作方法。
   

   

   ここでＦ_ｌ’は
   

   

   α（ｌ、ω＝０）は、電子ビームの直流偏向についての偏向角であり、
   α（ｌ、ω＝ｌ・ω_Ｔ）は電子ビームの交流偏向についての偏向角である。

Images