Преобразователь плотности тока электронного пучка

 

Изобретение относится к электронно-лучевому оборудованию, в частности к оборудованию для контроля параметров электронных пучков, и может быть использовано при проведении физических и прикладных исследований электронных пучков. Цель изобретения - повышение точности измерений путем осуществления анализа пространственного распределения плотности тока электронного пучка в процессе сварки. Преобразователь плотности тока электронного пучка 1 представляет собой цилиндр 2 Фарадея, выполненный в виде полой кольцевой камеры. Наклон боковой внутренней стенки 7 преобразователя на острый угол в сторону продольной оси преобразователя обеспечивает полное поглощение первичных и вторичных электронов. Уменьшение габаритов преобразователя позволяет разместить его в непосредственной близости от изделия 12 и снимать характеристику электронного пучка 1 вблизи фокального пятна в процессе сварки. Преобразователь обеспечивает получение наиболее достоверной информации о пространственном распределении плотности тока электронного пучка 1. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Е ..

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H A BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4325386/25-27 (22) 05.10.87 (46) 15.10.90. Бюл. № 38 (72) В. Н. Ластовиря и П. В. Полянский (53) 621.791.72 (088.8) (56) Franz К. Kirner, А! bert Schuler.

High resolution method for determination

of current — density — destribution in

electron beams, of arbitrar shape. // 3 rd

Iп!. Со!1. оп Ъе!d. апd melting bi е!ес!гоns

and Laser Beam, Lyon, 5 — 9 Septembe, 1983, Franc, р — р 45 — 52. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЛОТНОСТИ

ТОКА ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА (57) Изобретение относится к электронно-лучевому оборудованию, в частности к оборудованию для контроля параметров электронных пучков, и может быть использовано .при проведении физических и прикладных исследований электронных

Изобретение относится к электронно-лучевому оборудованию, в частности к оборудованию для контроля параметров электронных пучков, и может быть использовано при проведении физических и прикладных исследований электронных пучков.

Цель изобретения — повышение точности измерений путем осуществления анализа пространственного распределения плотности тока электронного пучка в процессе сварки.

На фиг. 1 изображено сечение преобразователя, в плоскости отклонения электронного пучка; на фиг. 2 — то же, для анализа пространственного распределения плотности тока элекронного пучка.

„„ЯЦ„„1599909 (51)5 Н 01 3/02 В 23 К 15/00 пучков. Цель изобретения — повышение точности измерений путем осуществления анализа пространственного распределения плотности тока электронного пучка в процессе сварки. П реобр азов ател ь плотности тока электронного пучка 1 представляет собой цилиндр 2 Фарадея, выполненный в виде полой кольцевой камеры. Наклон боковой внутренней стенки 7 преобразователя на острый угол в сторону продольной оси преобразователя обеспечивает полное поглощение .первичных и вторичных электронов. Уменьшение габаритов преобразователя позволяет разместить его в непосредственной близости от изделия 12 и снимать характеристику электронного пучка 1 вблизи фокального пятна в процессе сварки. Преобразователь обеспечивает получение наиболее достоверной информации о пространственном распределении плотности тока электронного пучка 1.2 ил.

Преобразователь плотности тока электронного пучка выполнен в виде цилиндра Фарадея 2 с плоским дном 3. Со стороны входной щели 4 расположена ножевая пластина (нож) 5, которая электрически изолирована изолятором 6 от цилиндра 2. Стенка 7 преобразователя, противоположная стенке 8, несущей нож 5, наклонена к дну 3 под острым утлом и, равным величине, при которой перпендикуляр 9, проведенный из точки пересечения прямой линии 10, опущенной из вершины ножа 5 параллельно стенке 8, несущей нож 5, пересекает ее, а симметричная линия 11 отражения прямой IO пересекает дно 3 цилиндра 2. В варианте выполнения преобразователя (фиг. 2) изделие 12 подвергается обработке. При этом

1599909 цилиндр 2 Фарадея выполнен в виде полого кольца 13 с кольцевой входной щелью 4, по периферии которого концентрично оси 14 закреплена ножевая пластина 5, которая выполнена в виде диска с центральным отверстием.

Устройство работает следующим образом.

Электронный пучок 1, находящийся на изделии 12, кратковременно отклоняют на цилиндр Фарадея 2. К моменту подхода пучка 1 к ножевой пластине 5 он целиком проходит в щель 4 цилиндра 2 Фарадея, поглощается им и создает на нагрузочном сопротивлении максимальное падение напряжения U. При дальнейшем движении пучка 1 ножевая пластина 5 экранирует все большую часть пучка 1, при этом напряжение на нагрузочном сопротивлении R постепенно уменьшается до нуля. Для получения распределения плотности тока электронного пучка 1 изменение напряжения U регистрируют и подвергают математической обработке.

Для получения пространственного распределения плотности тока пучка 1, например в процессе сварки изделия,12, используется цилиндр 2 Фарадея, выполненный в виде полого кольца 13. При этом пучок 1 проходит через его центральное отверстие на изделие 12, а рассмотренные кратковременные отклонения пучка 1 осуществляются периодически по различным направлениям от оси 14 кольца 13. По зарегистрированным распределениям плотности тока электронного пучка 1 в различных плоскостях отклонения математической обработкой получают пространственное распределение.

Преобразователь предназначен для анализа свойств электронного пучка. При отклонении пучка полезный сигнал в виде напряжения U появляется при экранировании ножевой пластины части пучка. Не экранируемая ножевой пластиной часть пучка попадает в цилиндр Фарадея. Ввиду того, что расстояние от среза пушки до преобразователя много больше величины отклонения пучка на преобразователь (более

50 раз для длиннофокусируемых пушек), в течение всего времени анализа можно считать пучок параллельным самому себе и перпендикулярным ножевой пластине. При попадании в цилиндр Фарадея неэкранируемой части пучка возникают вторично-эмиссионный и отраженный потоки электронов, которые искажают картину анализа, если они вылетают через входную щель цилиндра Фарадея. Направление максимума потока отраженных электронов соответствует закону отражения световых пучков. Максимум потока вторичных электронов направлен по нормам к поверхности в точке падения основного пучка. В соответствии с этим невылет электронов обеспечивается конструктивным решением преобразователя.

При многократных отражениях энергия электронов резко убывает и вероятность их вылета из цилиндра Фарадея резко падает.

Исходя из физических явлений, при взаимодействии электронного пучка с металлом угол р наклона стенки должен быть минимальным. Этим обеспечивается минимальное воздействие пучка на стенку: минимальная интенсивность потока вторичных электронов, ее минимальный локальный нагрев, т. е. задача наклонной стенки отбросить потоки отраженных и вторичных электронов внутрь цилиндра Фарадея.

Минимальный угол р наклона стенки соответствует минимальному размеру преобразователяя.

При фиксированных размерах щели цилиндра Фарадея, определяемых диаметром исследуемого пучка, нижняя граница значения угла р наклона стенки определяется высотой стенки преобразователя, которая ограничена требованием расположения преобразователя максимально близко к свариваемой детали (фиг. 2). Увеличение высоты . стенки приводит к удалению исследуемого сечения пучка от энергетически важного сечения в фокальной плоскости, которая несет основную информацию о проплавляющих свойствах пучка. Верхняя граница угла р наклона стенки ограничена габаритно-весовыми характеристиками преобразователя и тепловой стойкостью наклонной стенки. Кроме того, с ростом угла

3ц наклона стенки ухудшаются свойства цилиндра Фарадея как ловушки для электронов.

При падении электронного пучка на нак35

46

55 лонную стенку поглощаемая локальная мощность в точке падения зависит от угла наклона стенки относительно оси пучка

Р, = Р sing, где P — удельная мощность пучка, кВт, P — угол наклона стенки преобразователя к оси пучка, град.

Следовательно, угол р наклона стенки относительно оси пучка определяет долю поглощаемой энергии в единицу времени в процессе измерения. Чтобы не оплавлять стенку этот угол р должен быть таким, что поглощаемая мощность недостаточна для оплавления. Таким образом, максимальный угол р наклона стенки определяется мощностью исследуемого пучка, и должен быть по возможности минимал ьным. Наименьшее значение угла P,,oáåñпечивающее полное отражение конического пучка при падении на наклонную стенку, определяется угловой апертурой пучка Р таким образом I1) —. и

Технологически важным является круговая симметрия распределения плотности мощности пучка, которая в процессе сварки может нарушаться из-за присутствия неконтролируемых возмущений. Для контроля симметрии пучка необходим анализ распре1599909 ственном распределении плотности тока электронного пучка.

Формула изобретения деления мощности по разным направлениям что достигается отклонением пучка на дат чик по различным направлениям от оси луча.

Преобразователь использован при исследовании пучков мощностью 5 кВт. Преобразователь изготавливают из меди толщиной 5 мм. Высота преобразователя 25 мм при диаметре дна 40 мм. Вес преобразователя вместе с устройством крепления не более 1 кг.

П редлагаемый преобразователь позволяет уменьшить габариты преобразователя, так как величина угла наклона боковой стенки преобразователя обеспечивает полное поглощение первичных и вторичных электронов преобразователем при уменьшении его размеров, что повышает точность его работы. Имеется возможность использовать преобразователь в ходе технологического процесса, так как в отсутствие измерения электронный пучок находится на изделии. За счет снижения высоты и веса преобразователя можно разместить его в непосредственной близости от изделия и снимать характеристику электронного пучка вблизи фокального пятна непосредственно в процессе сварки как по любому направлению, так и в пространстве, получая наиболее достоверную информацию о простран5

Преобразователь плотности тока электронного пучка, выполненный в виде цилиндра Фарадея с заходной щелью и электрически изолированной от корпуса ножевой пластиной, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения путем осуществления анализа пространственного распределения плотности тока электронного пучка в процессе сварки, цилиндр Фарадея выполнен в виде полой кольцевой камеры с взаимно перпендикулярными дном, крышкой и наружной стенкой, а внутренняя стенка камеры наклонена в сторону продольной оси камеры под острым углом к ее дну, заходная щель выполнена кольцевой, ее внешний диаметр ра20 вен внутреннему диаметру полости цилиндра у его дна, а ножевая пластина выполнена в виде диска с центральным отверстием и закреплена на крышке камеры по ее периферии, при этом диаметр цент25 рального отверстия диска больше внутреннего диаметра заходной щели камеры, но меньше ее внешнего диаметра.

1599909

Составитель И. Фролов

Редактор И. Сегляник Техред А. Кравчук Корректор М. Кучерявая

Заказ 3146 Тираж 403 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР ! 13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4 5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 10!