RU2580266C1

RU2580266C1 - Device for determination of energy density distribution and control of electron beam focusing

Info

Publication number: RU2580266C1
Application number: RU2015100016/02A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Трушников; Владимир Яковлевич Беленький; Елена Львовна Кротова; Глеб Львович Пермяков; Николай Андреевич Мусихин; Татьяна Васильевна Ольшанская; Екатерина Сергеевна Саломатова; Елена Георгиева Колева
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-04-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to device for determination of energy density distribution for controlling electron beam focusing at electron beam welding. Device comprises controller 1 and converter 2 of cross energy distribution of electron beam to analogue signal. Converter 2 comprises cylindrical case 3 with open end 4 and closed end face 5, slot diaphragm 6, collector 7 of primary and secondary electrons 8, separating collector shell 9. Slit diaphragm 6 is located inside the housing 3 converter 2 in its end 4, electrically connected with said housing and has N₁ radial slots with width h₁ for differential measurements and N₂ radial slots with width h₂ for integrated measurements cross electron beam energy distribution so that h₂> h₁ and N₁> N₂≥ 1. Collectors 7 and 8 are interconnected electrically and isolated from housing 3 by means of separating shell 9. Manifold 7 is made in form of body of revolution with decreasing cross-section area in direction from bottom of separating sleeve to said slit diaphragm, is connected to input of load resistor 10, output of which is connected to housing 3. Manifold 8 is made in form of hollow cylinder, is installed inside separating shell 9 and aligned therewith, and is electrically connected to collector 7, which is output of said analog signal intended for its processing controller 1.

EFFECT: technical result is reduction of losses of electrons as result of their secondary emission due to change angle of reflection of electrons from collector of primary electrons.

1 cl, 3 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к электронно-лучевой сварке металлов и может быть использовано для повышения воспроизводимости результатов электронно-лучевой сварки посредством контроля параметров пучка электронов.The invention relates to electron beam welding of metals and can be used to increase the reproducibility of the results of electron beam welding by controlling the parameters of the electron beam.

Уровень техникиState of the art

Электронно-лучевая сварка является наиболее точным методом сварки толстостенных изделий. В то же время использование электронно-лучевой сварки связано с трудностью воспроизведения режима фокусировки и распределения плотности энергии электронного пучка. Без надежного воспроизведения этих параметров невозможно гарантировать качество электронного пучка. Эта проблема усугубляется тем, что многие сварные швы выполняются спустя определенный период времени и с разными операторами сварочной установки. Дополнительные осложнения возникают, когда технология сварки, разработанная на одной установке, передается на другую для производства.Electron beam welding is the most accurate method of welding thick-walled products. At the same time, the use of electron beam welding is associated with the difficulty of reproducing the focusing mode and the distribution of the electron beam energy density. Without reliable reproduction of these parameters, it is impossible to guarantee the quality of the electron beam. This problem is compounded by the fact that many welds are performed after a certain period of time and with different operators of the welding installation. Additional complications arise when welding technology developed in one installation is transferred to another for production.

Известно устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка, содержащее две кольцевые металлические пластины с соосно расположенными отверстиями разного диаметра. Оси отверстий совпадают с осью пучка, формируемого электронно-лучевой пушкой. Обе пластины заземлены через резисторы с одинаковыми сопротивлениями. При перемещении электронного пучка вдоль радиуса на резисторах пластин создаются падения напряжения, разница которых определяет функцию распределения тока электронного пучка в данном сечении и направлении зондирования. В результате измерения получается интегральная кривая зондового тока, затем ее численно дифференцируют и после фильтрации по различным алгоритмам получают проекцию двумерного распределения плотности тока. Полученные проекции служат исходной информацией для вычисления характеристик луча: диаметра электронного пучка на уровне 50%-ной мощности, удельной мощность в 50%-ном пятне нагрева, оценка нормальности распределения плотности тока в направлении сканирования, угол сходимости пучка. Точность способа оказывается ограниченной из-за большой величины помехи, возникающей при численном дифференцировании. Кроме того, на точность отрицательно влияет то, что некоторая часть электронов пучка, попадающих на пластину, может быть потеряна в результате вторичной эмиссии электронов (В.Н. Ластовиря, П.В. Полянский. Система оперативного контроля проплавляющих свойств электронного пучка при сварке // Сварочное производство. - 1990. - №8. - С. 25-26).A device is known for determining the distribution of energy density and controlling the focusing of an electron beam, containing two annular metal plates with coaxially arranged holes of different diameters. The axis of the holes coincides with the axis of the beam formed by the electron beam gun. Both plates are grounded through resistors with the same resistances. When the electron beam moves along the radius, voltage drops are created on the plate resistors, the difference of which determines the distribution function of the electron beam current in this section and the sounding direction. As a result of the measurement, an integral curve of the probe current is obtained, then it is numerically differentiated and, after filtering according to various algorithms, a projection of a two-dimensional current density distribution is obtained. The obtained projections serve as initial information for calculating the characteristics of the beam: the diameter of the electron beam at the level of 50% power, specific power in the 50% heating spot, the assessment of the normal distribution of current density in the scanning direction, the beam convergence angle. The accuracy of the method is limited due to the large amount of interference arising from numerical differentiation. In addition, the accuracy is negatively affected by the fact that some of the beam electrons entering the plate can be lost as a result of secondary electron emission (V.N. Lastovirya, P.V. Polyansky. Operational control system for the fusion properties of an electron beam during welding / / Welding production. - 1990. - No. 8. - S. 25-26).

Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в наличии пластины с отверстиями.Signs of the known device, coinciding with the features of the claimed invention, are the presence of a plate with holes.

Причина, препятствующая получению в известном устройстве технического результата, который обеспечивается заявленным изобретением, заключается в том, что некоторая часть электронов пучка, попадающих на пластину, оказывается потерянной в результате вторичной эмиссии электронов, что снижает точность измерений.The reason that prevents obtaining a technical result in the known device, which is provided by the claimed invention, is that some of the beam electrons entering the plate are lost as a result of secondary electron emission, which reduces the measurement accuracy.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка, содержащее контроллер и преобразователь поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал, предназначенный для его обработки контроллером. При этом указанный преобразователь содержит корпус, выполненный из электропроводящего материала в виде полого цилиндра с открытым первым торцом, предназначенным для входа электронного пучка в преобразователь, и закрытым вторым торцом, щелевую диафрагму, выполненную из электропроводящего тугоплавкого материала, коллекторы первичных и вторичных электронов, выполненные из электропроводящих материалов. Щелевая диафрагма расположена внутри корпуса преобразователя в области его первого торца, электрически соединена с этим корпусом. Коллектор первичных электронов установлен внутри корпуса на расстоянии от щелевой диафрагмы и выполнен в виде цилиндрического стакана. Коллектор вторичных электронов выполнен в виде диска со щелями, который расположен внутри коллектора первичных электронов соосно с ним, электрически соединен с коллектором первичных электронов, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером (Патент США US 6,300,755 В1, МПК G01N 27/00, 9 окт. 2001).The closest analogue (prototype) is a device for determining the distribution of energy density and focus control of the electron beam, containing a controller and a transverse energy distribution of the electron beam into an analog signal designed for its processing by the controller. Moreover, the specified Converter contains a housing made of an electrically conductive material in the form of a hollow cylinder with an open first end, designed to enter the electron beam into the transducer, and a closed second end, a slotted diaphragm made of electrically conductive refractory material, collectors of primary and secondary electrons made of conductive materials. The slotted diaphragm is located inside the converter housing in the region of its first end, and is electrically connected to this housing. The primary electron collector is installed inside the housing at a distance from the slotted diaphragm and is made in the form of a cylindrical cup. The collector of secondary electrons is made in the form of a disk with slots, which is located inside the collector of primary electrons coaxially with it, is electrically connected to the collector of primary electrons, which is the output of the mentioned analog signal, intended for its processing by the controller (US Patent US 6,300,755 B1, IPC G01N 27/00 Oct. 9, 2001).

Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявленного изобретения, заключаются в том, что устройство содержит контроллер и преобразователь поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал, предназначенный для его обработки контроллером. При этом указанный преобразователь содержит корпус, выполненный из электропроводящего материала в виде полого цилиндра с открытым первым торцом, предназначенным для входа электронного пучка в преобразователь, и закрытым вторым торцом, щелевую диафрагму, выполненную из электропроводящего тугоплавкого материала, коллекторы первичных и вторичных электронов, выполненные из электропроводящих материалов. Щелевая диафрагма расположена внутри корпуса преобразователя в области его первого торца, электрически соединена с этим корпусом. Коллектор первичных электронов установлен внутри корпуса на расстоянии от щелевой диафрагмы. Коллектор вторичных электронов расположен внутри корпуса и электрически соединен с коллектором первичных электронов, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером.Signs of the known device that match the features of the claimed invention are that the device contains a controller and a transverse transducer of electron beam energy into an analog signal for processing by the controller. Moreover, the specified Converter contains a housing made of an electrically conductive material in the form of a hollow cylinder with an open first end, designed to enter the electron beam into the transducer, and a closed second end, a slotted diaphragm made of electrically conductive refractory material, collectors of primary and secondary electrons made of conductive materials. The slotted diaphragm is located inside the converter housing in the region of its first end, and is electrically connected to this housing. The primary electron collector is installed inside the housing at a distance from the slotted diaphragm. The collector of secondary electrons is located inside the housing and is electrically connected to the collector of primary electrons, which is the output of the mentioned analog signal, intended for its processing by the controller.

Причина, препятствующая получению в известном устройстве технического результата, который обеспечивается заявленным изобретением, заключается в высоких требованиях к точности изготовления и сборки щелевой диафрагмы и коллектора вторичных электронов, так чтобы их щели находились точно друг под другом. При работе такого устройства требуется очень точное центрирование преобразователя относительно оси пучка. В случае нарушения соосности не все электроны, прошедшие через щели щелевой диафрагмы, попадут в щели коллектора вторичных электронов, что нарушит работу устройства. Устройство также не содержит элементов для измерения тока луча непосредственно во время регистрации проекций и требует для этого отдельной операции. Данный недостаток снижает удобство использования устройства. Кроме того, значение тока луча вследствие тех или иных причин (погрешность системы управления электронно-лучевой установкой, ошибка оператора и т.п.) может отличаться на стадиях предварительного измерения тока и регистрации проекций луча. Это может привести к дополнительной погрешности при восстановлении распределения плотности тока луча. Другим серьезным недостатком является низкая точность устройства при определении параметров электронных лучей малых поперечных размеров. Применяемые методы томографии требуют использования бесконечно тонких щелей. На практике в вольфрамовом диске (щелевой диафрагме) изготовить щели толщиной менее 0.1 мм крайне затруднительно. При ширине щели 0.1 мм измерение остросфокусированного электронного луча диаметром 0.2 мм дает погрешность около 15% [Elmer J.W., Teruya A.T. An enhanced Faraday cup for rapid determination of power density distribution in electron beams // WELDING JOURNAL-NEW YORK. - 2001. - T. 80. - №. 12. - C. 288-s].The reason that prevents obtaining a technical result in the known device, which is ensured by the claimed invention, lies in the high demands on the accuracy of manufacturing and assembly of the slit diaphragm and the collector of secondary electrons, so that their slits are exactly under each other. When operating such a device, very precise centering of the transducer relative to the beam axis is required. In case of misalignment, not all electrons passing through the slots of the slit diaphragm will fall into the slots of the secondary electron collector, which will disrupt the operation of the device. The device also does not contain elements for measuring the beam current directly during registration of projections and requires a separate operation. This disadvantage reduces the usability of the device. In addition, the value of the beam current due to various reasons (the error of the control system of the electron-beam installation, operator error, etc.) may differ at the stages of preliminary current measurement and registration of the beam projections. This can lead to additional error in restoring the distribution of the beam current density. Another serious drawback is the low accuracy of the device when determining the parameters of electron beams of small transverse dimensions. The applied tomography methods require the use of infinitely thin slits. In practice, it is extremely difficult to make gaps with a thickness of less than 0.1 mm in a tungsten disk (slotted aperture). With a slit width of 0.1 mm, the measurement of a sharply focused electron beam with a diameter of 0.2 mm gives an error of about 15% [Elmer J.W., Teruya A.T. An enhanced Faraday cup for rapid determination of power density distribution in electron beams // WELDING JOURNAL-NEW YORK. - 2001. - T. 80. - No. 12. - C. 288-s].

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в снижении себестоимости изготовления устройства, в упрощении его конструкции, в повышении точности определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка.The problem to which the invention is directed, is to reduce the cost of manufacturing the device, to simplify its design, to increase the accuracy of determining the distribution of energy density and control the focusing of the electron beam.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в снижении потерь электронов в результате их вторичной эмиссии за счет изменения угла отражения электронов от коллектора первичных электронов, а также в возможности интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка (с сохранением дифференциальных измерений).The technical result that mediates the solution of this problem is to reduce the loss of electrons as a result of their secondary emission by changing the angle of reflection of electrons from the collector of primary electrons, as well as the possibility of integral measurements of the transverse distribution of energy of the electron beam (with preservation of differential measurements).

Достигается технический результат тем, что устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка содержит контроллер и преобразователь поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал, предназначенный для его обработки контроллером, при этом указанный преобразователь содержит корпус, выполненный из электропроводящего материала в виде полого цилиндра с открытым первым торцом, предназначенным для входа электронного пучка в преобразователь, и закрытым вторым торцом, щелевую диафрагму, выполненную из электропроводящего тугоплавкого материала, коллекторы первичных и вторичных электронов, выполненные из электропроводящих материалов, разделительный стакан, выполненный из диэлектрического материала, при этом щелевая диафрагма расположена внутри корпуса преобразователя в области его первого торца, электрически соединена с этим корпусом и содержит N₁ радиальных щелей шириной h₁ для дифференциальных измерений и N₂ радиальных щелей шириной h₂ для интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка так, что h₂>h₁ и N₁>N₂≥1, разделительный стакан расположен внутри корпуса преобразователя так, что дно стакана сопряжено со вторым торцом корпуса, коллектор первичных электронов установлен внутри разделительного стакана в области его дна на расстоянии от щелевой диафрагмы и выполнен в виде тела вращения с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении от дна разделительного стакана к упомянутой щелевой диафрагме, коллектор вторичных электронов выполнен в виде полого цилиндра, установлен внутри разделительного стакана соосно с ним и электрически соединен с коллектором первичных электронов, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером.The technical result is achieved in that the device for determining the energy density distribution and controlling the focus of the electron beam contains a controller and a transverse transverse energy distribution of the electron beam into an analog signal for processing by the controller, wherein said converter contains a housing made of a conductive material in the form of a hollow cylinder with an open first end, designed to enter the electron beam into the transducer, and closed by a second For example, a slotted diaphragm made of electrically conductive refractory material, primary and secondary electron collectors made of electrically conductive materials, a separation cup made of dielectric material, while a slotted diaphragm is located inside the transducer housing in the region of its first end face, is electrically connected to this housing and ₁ comprises N radial slots width h ₁ for differential measurements N and the width of the radial slots ₂ h ₂ for the integral measurement of the transverse distribution e ergii electron beam so that h _2> h ₁ and N _1> N ₂ ≥1, separating glass located inside the converter housing so that the bottom cup is associated with the second end of the housing, the primary electron collector mounted inside the glass spacer in the bottom thereof in the region from the slit diaphragm and is made in the form of a body of revolution with a decreasing cross-sectional area in the direction from the bottom of the separation cup to the said slit diaphragm, the secondary electron collector is made in the form of a hollow cylinder, installed inside the section a pouring cup coaxially with it and electrically connected to the primary electron collector, which is the output of the mentioned analog signal, intended for its processing by the controller.

Новые признаки заявленного устройства (относительно прототипа) заключаются в следующем:New features of the claimed device (relative to the prototype) are as follows:

1) щелевая диафрагма содержит N₁ радиальных щелей шириной h₁ для дифференциальных измерений и N₂ радиальных щелей шириной h₂ для интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка так, что h₂>h₁ и N₁>N₂≥1;1) the slit diaphragm contains N ₁ radial slits with a width of h ₁ for differential measurements and N ₂ radial slots with a width of h ₂ for integrated measurements of the transverse energy distribution of the electron beam so that h ₂ > h ₁ and N ₁ > N ₂ ≥1;

2) преобразователь содержит разделительный стакан, который расположен внутри корпуса преобразователя так, что дно стакана сопряжено со вторым торцом корпуса;2) the transducer contains a separation cup, which is located inside the transducer housing so that the bottom of the cup is associated with the second end of the housing;

3) коллектор первичных электронов установлен внутри разделительного стакана в области его дна и выполнен в виде тела вращения с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении от дна разделительного стакана к упомянутой щелевой диафрагме;3) the primary electron collector is installed inside the separation cup in the region of its bottom and is made in the form of a body of revolution with a decreasing cross-sectional area in the direction from the bottom of the separation cup to the aforementioned slotted diaphragm;

4) коллектор вторичных электронов выполнен в виде полого цилиндра и установлен внутри разделительного стакана соосно с ним.4) the collector of secondary electrons is made in the form of a hollow cylinder and is installed inside the separation cup coaxially with it.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На фиг. 1 показано заявляемое устройство, содержащее преобразователь 1 и контроллер 2: преобразователь показан в аксонометрии, контроллер - в виде функционального блока.In FIG. 1 shows the inventive device containing the Converter 1 and the controller 2: the converter is shown in a perspective view, the controller in the form of a functional unit.

На фиг. 2 показан вариант выполнения щелевой диафрагмы преобразователя.In FIG. 2 shows an embodiment of a slotted diaphragm of a converter.

На фиг. 3 показана функциональная схема, иллюстрирующая работу устройства, совместно со стандартной электронно-лучевой установкой.In FIG. 3 is a functional diagram illustrating the operation of the device, in conjunction with a standard cathode ray unit.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Устройство для определения распределения плотности энергии и контроля фокусировки электронного пучка содержит контроллер 1 и преобразователь 2 поперечного распределения энергии электронного пучка в аналоговый сигнал, предназначенный для его обработки контроллером 1 (фиг. 1).A device for determining the distribution of energy density and focus control of the electron beam contains a controller 1 and a transducer 2 of the transverse distribution of energy of the electron beam into an analog signal, designed for its processing by the controller 1 (Fig. 1).

Преобразователь 2 содержит корпус 3, выполненный из электропроводящего материала в виде полого цилиндра с открытым первым торцом 4, предназначенным для входа электронного пучка в преобразователь, и закрытым вторым торцом 5, щелевую диафрагму 6, выполненную из электропроводящего тугоплавкого материала (например, из вольфрама), коллектор 7 первичных и коллектор 8 вторичных электронов, выполненные из электропроводящих материалов, разделительный стакан 9, выполненный из диэлектрического материала. Коллекторы 7 и 8 соединены между собой электрически и при этом изолированы от корпуса 3 при помощи разделительного стакана 9. Кроме того, коллектор 7, являющийся выходом преобразователя 2, соединен с входом нагрузочного резистора 10, выход которого соединен с корпусом 3, являющимся «землей». Щелевая диафрагма 6 (фиг. 1 и 2) расположена внутри корпуса 3 преобразователя 2 в области его первого торца 4, электрически соединена с этим корпусом и содержит N₁ радиальных щелей 11 шириной h₁ для дифференциальных измерений (щель 11 является узкой щелью, ее ширина меньше диаметра электронного пучка) и N₂ радиальных щелей 12 шириной h₂ для интегральных измерений поперечного распределения энергии электронного пучка (щель 12 является широкой щелью, ее ширина равна или больше диаметра электронного пучка) так, что h₂>h₁ и N₁>N₂≥1. Таким образом, среди узких щелей 11 на диафрагме 6 расположена одна или несколько более широких щелей 12 для интегральных измерений тока электронного пучка таких, чтобы луч пучка при сканировании проходил через них целиком. Широкие щели 12 также могут быть использованы для измерения параметров узких пучков. При пересечении края каждой широкой щели получается интегральная кривая, которую затем численно дифференцируют. Данная процедура повышает точность определения параметров электронных пучков малых поперечных размеров.The transducer 2 comprises a housing 3 made of an electrically conductive material in the form of a hollow cylinder with an open first end 4, intended for the electron beam to enter the transducer, and a closed second end 5, a slotted diaphragm 6 made of an electrically conductive refractory material (for example, tungsten), a primary collector 7 and a secondary electron collector 8 made of electrically conductive materials, a separation cup 9 made of dielectric material. The collectors 7 and 8 are electrically interconnected and isolated from the housing 3 by means of a separation cup 9. In addition, the collector 7, which is the output of the converter 2, is connected to the input of the load resistor 10, the output of which is connected to the housing 3, which is “ground” . The slotted diaphragm 6 (Fig. 1 and 2) is located inside the housing 3 of the transducer 2 in the region of its first end 4, is electrically connected to this housing and contains N ₁ radial slots 11 of width h ₁ for differential measurements (slot 11 is a narrow gap, its width less than the diameter of the electron beam) and N ₂ radial slots 12 with a width of h ₂ for integral measurements of the transverse distribution of energy of the electron beam (gap 12 is a wide gap, its width is equal to or greater than the diameter of the electron beam) so that h ₂ > h ₁ and N ₁ > N ₂ ≥1. Thus, among the narrow slits 11 on the diaphragm 6, there is one or more wider slots 12 for integral measurements of the electron beam current such that the beam of the beam passes through them as a whole during scanning. Wide slots 12 can also be used to measure the parameters of narrow beams. When crossing the edge of each wide gap, an integral curve is obtained, which is then numerically differentiated. This procedure improves the accuracy of determining the parameters of electron beams of small transverse dimensions.

Разделительный стакан 9 (фиг. 1) расположен внутри корпуса 3 преобразователя 2 так, что дно стакана сопряжено со вторым торцом 5 корпуса 3. Коллектор 7 первичных электронов установлен внутри разделительного стакана 9 в области его дна на расстоянии от щелевой диафрагмы 6 и выполнен в виде тела вращения с уменьшающейся площадью поперечного сечения в направлении от дна разделительного стакана 9 к упомянутой щелевой диафрагме 6 (например, в виде конуса) для того, чтобы электроны, проходящие через щели 11 и 12 щелевой диафрагмы 6, падали на поверхность коллектора 7 под углом. Такое выполнение коллектора 7 способствует направлению потока отраженных и высокоэнергичных вторичных электронов на стенку коллектора 8, что препятствует попаданию этих электронов обратно на щелевую диафрагму 6. Дополнительно коллектор 7 может быть выполнен из материалов с низким атомным номером для снижения коэффициента отражения электронов.The separating cup 9 (Fig. 1) is located inside the housing 3 of the transducer 2 so that the bottom of the cup is associated with the second end 5 of the housing 3. The collector 7 of primary electrons is installed inside the separating cup 9 in the area of its bottom at a distance from the slit diaphragm 6 and is made in the form bodies of revolution with a decreasing cross-sectional area in the direction from the bottom of the separation cup 9 to the said slit diaphragm 6 (for example, in the form of a cone) so that the electrons passing through the slots 11 and 12 of the slit diaphragm 6 fall on the surface ollektora 7 at an angle. This embodiment of the collector 7 contributes to the direction of the flow of reflected and high-energy secondary electrons to the wall of the collector 8, which prevents these electrons from returning to the slit diaphragm 6. Additionally, the collector 7 can be made of materials with a low atomic number to reduce the reflection coefficient of electrons.

Коллектор 8 вторичных электронов выполнен в виде полого цилиндра, установлен внутри разделительного стакана соосно с ним и электрически соединен с коллектором 7 первичных электронов, являющимся выходом упомянутого аналогового сигнала, предназначенного для его обработки контроллером 1.The collector 8 of the secondary electrons is made in the form of a hollow cylinder, is installed inside the separation cup coaxially with it, and is electrically connected to the collector 7 of primary electrons, which is the output of the above-mentioned analog signal intended for processing by the controller 1.

Работа устройства заключается в следующем.The operation of the device is as follows.

Преобразователь 2 устанавливают в вакуумную камеру 13 электронно-лучевой установки так, чтобы щелевая диафрагма 6 преобразователя 2 располагалась на требуемом расстоянии от среза электронно-лучевой пушки 14 соосно с ней (фиг. 3). Контроллер 1, оснащенный аналого-цифровым и цифроаналоговым интерфейсом, управляет токами отклоняющих катушек 15 электронно-лучевой установки и током электронного пучка 16. В процессе управления в отклоняющих катушках 15 создается сигнал, обеспечивающий круговую развертку электронного пучка 16 на щелевой диафрагме 6 преобразователя 2. Контроллер 1 включает на короткое время заданное значение тока луча 16 и одновременно начинает регистрацию выходного сигнала преобразователя 2 с нагрузочного резистора 10, а также сигнала, пропорционального току в одной из отклоняющих катушек 15. За это короткое время электронный луч 16 осуществляет несколько круговых сканирований щелевой диафрагмы 6 преобразователя 2, выходной сигнал которого представляет собой серии импульсов. Каждый из этих импульсов соответствует пересечению электронным пучком 16 одной из щелей 11 и 12 щелевой диафрагмы 6. Данные регистрации впоследствии обрабатываются контроллером 1. Обработка может включать в себя применение метода синхронного накопления с целью уменьшения уровня случайных помех [Управление электронно-лучевой сваркой. / В.Д. Лаптенок, А.В. Мурыгин, Ю.Н. Серегин, В.Я. Браверман. - Красноярск: CAA, 2000. - 234 с.]. Далее сигнал от каждой из узких щелей 11, представляющий собой проекцию двумерного распределения плотности тока луча 16 в направлении щели 11, обрабатывают методами томографии [Терещенко С.А. Методы вычислительной томографии. - М.: Физматлит, 2004], в результате чего получают двумерное распределение плотности тока луча 16. Интегральная величина тока луча 16 получается из данных регистрации выходного сигнала при пересечении широких щелей 12. Для приведения формы к реальной мощности полученное распределение умножается на коэффициент, определяемый отношением тока интегральной величины тока луча к интегралу от функции распределения.The transducer 2 is installed in the vacuum chamber 13 of the electron beam installation so that the slotted diaphragm 6 of the transducer 2 is located at the required distance from the cut of the electron beam gun 14 coaxially with it (Fig. 3). The controller 1, equipped with an analog-to-digital and digital-to-analog interface, controls the currents of the deflecting coils 15 of the cathode-ray unit and the current of the electron beam 16. During the control process, a signal is generated in the deflecting coils 15 that provides a circular scan of the electron beam 16 on the slit diaphragm 6 of the converter 2. Controller 1 turns on for a short time the set value of the beam current 16 and simultaneously starts recording the output signal of the transducer 2 from the load resistor 10, as well as a signal proportional to at one of the deflection coils 15. In this short time the electron beam 16 carries several circular scans of the slit diaphragm 6 converter 2, whose output signal is a series of pulses. Each of these pulses corresponds to the intersection by the electron beam 16 of one of the slots 11 and 12 of the slit diaphragm 6. The registration data is subsequently processed by the controller 1. Processing may include the application of the synchronous accumulation method in order to reduce the level of random interference [Electron beam welding control. / V.D. Laptenok A.V. Murygin, Yu.N. Seregin, V.Ya. Braverman. - Krasnoyarsk: CAA, 2000. - 234 p.]. Next, the signal from each of the narrow slots 11, which is a projection of the two-dimensional distribution of the current density of the beam 16 in the direction of the slit 11, is processed by tomography methods [Tereshchenko S.A. Computational tomography methods. - M .: Fizmatlit, 2004], as a result of which a two-dimensional distribution of beam current density 16 is obtained. The integral value of beam current 16 is obtained from the registration data of the output signal at the intersection of wide slots 12. To bring the shape to real power, the resulting distribution is multiplied by a coefficient determined the ratio of the integral current of the beam current to the integral of the distribution function.

В случае исследования пучка малых поперечных размеров измерение параметров может производиться посредством обработки сигналов от широких щелей 12. При пересечении края каждой широкой щели 12 получается интегральная кривая, которую затем численно дифференцируют. Импульсы, полученные после дифференцирования, являются проекциями двумерного распределения плотности тока луча 16 в направлении щели 12. Эти проекции могут в дальнейшем при обработке добавляться к проекциям от узких щелей 11 или обрабатываться независимо.In the case of studying a beam of small transverse dimensions, the parameters can be measured by processing signals from wide slots 12. When crossing the edge of each wide slit 12, an integral curve is obtained, which is then numerically differentiated. The pulses obtained after differentiation are projections of the two-dimensional distribution of the current density of the beam 16 in the direction of the slit 12. These projections can later be added to the projections from the narrow slots 11 during processing or processed independently.

Коллектор 7 первичных электронов выполнен в виде конуса или другого тела вращения таким образом, чтобы электроны, проходящие через щели 11 и 12 щелевой диафрагмы 6, падали на поверхность коллектора 7 под углом. Такое исполнение коллектора 7 способствует направлению потока отраженных и высокоэнергичных вторичных электронов на стенку коллектора 8, что препятствует их попаданию обратно на щелевую диафрагму 6.The collector 7 of the primary electrons is made in the form of a cone or other body of revolution so that the electrons passing through the slots 11 and 12 of the slit diaphragm 6 fall onto the surface of the collector 7 at an angle. This design of the collector 7 contributes to the direction of the flow of reflected and high-energy secondary electrons to the wall of the collector 8, which prevents them from falling back onto the slotted diaphragm 6.

Полученное в результате обработки двумерное распределение плотности тока электронного пучка 16 используется для получения основных параметров, характеризующих фокусировку пучка 16, таких как: диаметр, вычисляемый по ширине распределения плотности энергии на ее характерных уровнях; площадь кривой распределения или нулевой центральный момент распределения, нормированный максимальным значением величины плотности распределения; эффективный диаметр, указывающий интервал, в который попадает 68% энергии электронного пучка, и т.п.The resulting two-dimensional distribution of the current density of the electron beam 16 is used to obtain the basic parameters characterizing the focusing of the beam 16, such as: diameter calculated from the width of the energy density distribution at its characteristic levels; area of the distribution curve or zero central distribution moment normalized by the maximum value of the distribution density; effective diameter indicating the interval into which 68% of the electron beam energy falls, etc.

Применение коллектора 7 первичных электронов специальной формы и добавление широких щелей 12 в конструкцию щелевой диафрагмы 6 позволяет повысить функциональность устройства, удобство его использования, точность измерения распределения энергии электронного пучка при снижении требований к точности сборки и изготовления в сравнении с прототипом.The use of a collector 7 of primary electrons of a special shape and the addition of wide slots 12 to the design of the slit diaphragm 6 allows to increase the functionality of the device, the convenience of its use, the accuracy of measuring the electron beam energy distribution while reducing the requirements for assembly and manufacturing accuracy in comparison with the prototype.

Claims

A device for controlling the focusing parameters of an electron beam in electron beam welding, comprising a controller and a transverse energy distribution of the electron beam into an analog signal for processing by the controller, said converter comprising a housing made of an electrically conductive material in the form of a hollow cylinder with an open first the end face intended for the electron beam to enter the transducer, and the second end face closed, a slotted diaphragm made of electric conductive refractory material, the collectors of primary and secondary electrons, made of electrically conductive materials, the spacer sleeve made of a dielectric material, wherein a slit diaphragm is disposed within the transmitter housing in the region of its first end electrically coupled with the housing and comprises N ₁ radial slits of width h ₁ for differential measurements N and the width of the radial slots ₂ h ₂ for integral transverse dimensions of the electron beam energy distribution such that h _2> h ₁ and N _1> N ₂ 1, the separation cup is located inside the converter housing so that the bottom of the cup is mated to the second end of the housing, the primary electron collector is installed inside the separation cup in the region of its bottom at a distance from the slotted diaphragm and is made in the form of a body of revolution with a decreasing cross-sectional area in the direction from the bottom a separation cup to said slotted diaphragm, wherein the secondary electron collector is made in the form of a hollow cylinder, is installed inside the separation cup coaxially with it and an insulating collector is connected to the primary electrons, which is an output of said analog signal to the controller for its processing.