Способ регулирования температуры в электронно-лучевой установке

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик о|1780079 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 10. 11. 78 (21)2684824/24-07 (51)М. Кл.з

H 01 J 37/305

Н 05 В 7/16

G 05 0 23/19 с присоединением заявки ¹â€”

Государственный комитет

СССР но делам нзобретеннЯ н открытий (23) Приоритет— (53) >4К 621. 365. 91:

:537.533(088.8) Опубликовано 151180, бюллетень № 42

Дата опубликования описания 1511.80 (72) Авторы изобретения

А.Г.Бутковский, Е.П.Чубаров,А.M.Êðàâ÷åíêo, С.И.Ибрагимов, А.Г.Айзенштейн,A.Н.Емельянов, В.A.Õîòèí и В.В.Алферов

М

4 °

С

1. с ,Ф (71) Заявитель (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

В ЭЛЕКТРОННОЛУЧЕВОЙ УСТАНОВКЕ

Изобретение относится к электро-, . технике и может быть применено для нагрева объектов в электроннолучевой установке.

Известен способ нагрева объектов 5 в электроннолучевых установках с использованием перераспределения энергии электронного пучка по поверхности объекта, реализованный в устройстве (11. Согласно этому спо- 10 собу создают по заданной программе наибольшую плотность тепловложения в местах интенсивного теплоотвода и энергетической тени путем уменьшения скорости движения электронного 15 пучка в соответствующих местах нагреваемой поверхности. Этот способ, однако, не позволяет достаточно точно поддерживать температуру на поверхности объекта, так как случайные 20 возмущения в процессе нагрева искажают заданное распределение температуры.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является спо- 25 соб- регулирования температуры при электроннолучевом нагреве, реализованный в известном устройстве, согласно которому воздействуют на по верхность объекта нагрева движущим- Я) ся электронным пучком, при котором задают сигналы мощности пучка, скорости его перемещения и фокусировки, измеряют распределение температуры на поверхности объекта, !. сравнивают измеренную температуру с заданным полем температур, по результату сРавнения формируют сигнал рассогласования в любой точке поверхности и по нему изменяют мощйость и скорость движения пучка (21.

Однако при регулировании темпера туры этим методом имеет место локальный перегрев под электронным пучком, сфокусированным на поверхность объекта в небольшое пятно постоянного размера, и, как следствие этого, ускоренное испарение и ухудшение структуры материла Кроме того> возрастают потери энергии электронного пучка на испарение и излучение.

Целью изобретения является улучшение качества объекта нагрева путем уменьшения локального перегрева и потерь металла на испарение.

Поставленная цель. достигается тем, что формируют дополнительный усредненный по всей поверхности сигнал рассогласования, сравнивают его с указанным сигналом рассогласования, 780079

60 формируют разностный сигнал, алгебраически складывают его с заданным си- гналом фокусировки. и по суммарному сигналу управляют фокусировкой элек тронного пучка.

На Фиг.1 (а,б,в,г,д,е,ж) изображены графики формирования сигнала управления фокусировкой электронного пучка на фиг. 1(з) - граФики распределенйя интенсивности тепловложения в пятне энергетического воздействия в зависимости от текущей координаты центра этого пятна (при нормальной мощности электронного пучка);на фиа.2 — пример устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг.1 приняты следующие обозначения: Х вЂ” пространственная коорди.ната, L — размер нагреваемой поверх- ности объекта, Т вЂ” температура, Т—

3( заданная температура, Т „— измеренная температура,U — сигнал paccorP ласования, UP — дополнительный ус-. редненный сигнал рассогласования, 4W P — разностный сигнал, Ф < — сиг нал коррекции Фокусировки электронного пучка, ф - заданный сигнал изменения фокусировки электронного пучка, ф — суммарный сигнал изменения фокусировки электронного пучка, плотность мощности тепловложения,d диаметр пятна энергетического воздействия, Х - текущая координата центра пятна энергетического воздействия(Х, = Х (t).Обозначения, принятые на фиг.2:1 — электронная пушка, 2 — электронный пучок, 3 объект нагрева, 4 — сканирующий пирометр, 5 " сравнивающее устройство, 6 — задающий блок, 7 — блок Формирования сигнала управления мощностью электронного пучка,8 — блок формирования сигнала управления скоростью движения электронного пучка, 9 — блок формирования сигнала коррекции Фокусировки электронного пучка, 10 — программный блок,11 — отклоняющая система, 12 -"сумматор, 13 — фокусирующая система, 14 - пятно энергетического воздействия, 15 кристаллизатор.

Суть предлагаемого способа сводится к следующему (см.фиг.1). 3аданное распределение температуры

Т+ (g) (фиг.1а) на поверхности объекта ф процессе его нагрева в электроннолучевой установке постоянно искажается вследствие различных возмущающих факторов (газовые выбросы с поверхности расплава, изменение условий теплообмена с окружанл ей средой, изменение ейлофйзическйх поСтоянных материала и др.). Поэтому для стабилизации тем ературы на уровне заданной измеряют действительное распределение температуры T„ (x) (фиг.1а) на поверхности объекта, сравнивают заданную температуру с измеренной, по полученной раз4

/ ности температур формируют сигнал UP(x) (фиг.16) рассогласования.

Сигнал рассогласования дополнительно

1 с усредняют (Uy = J U< (X) dz ), допол> 0 нительный усредненный сигнал Up (фиг.1в) рассогласования сравнивают с сигналом рассогласования и получают разностный сигнал AUp (х) (фиг.1г) пропорционально которому формируют сигнал Ф (x ) (фиг. 1д) коррекции фокусировки электронного пучка. Получаемый сигнал коррекции фокусировки алгебраически складывают с заданным сигналом e (X) (фиг.1е) фокусировки электронного пучка и по результирующему суммарному сигналу Ф (х) (фиг.1ж) управляют фокусировкой электронного пучка.

Алгоритм изменения параметров за20 данного сигнала фокусировки электронного пучка предварительно рассчитывают на ЭВМ. Основной, исходной, предпосылкой для расчета является минимизация (при неизменной мОщнос23 ти электронного пучка) плотности . мощности тепловложения в пятне энергетического воздействия (с целью уменьшения локального перегрева и угара материала) при учете конкрет30 ных условий Нагрева — заданного распределения температуры, условий теплообмена объекта с окружающей средой, заданного закона движения электронного пучка и др. Согласно

35 этой предпосылке электронный пучок движущийся по поверхности объекта, больше рассредотачивают (в пределах поверхности) на участках с меньшей теплоотдачей, например, в центре объекта. И, наоборот, рассредоточен40 ность электронного пучка уменьшают на участках более интенсивного охлаждения, например, на краях объекта (см.фиг.1з).

Как показано графически на Фиг.1з

4g распределение плотности мощности q тепловложения внутри пятна энергетического воздействия подчиняется закону нормального распределения

Гаусса q (x) =q exp t-k (х-х0 )), 0 где q q (х0) - текущее значение вам "ш максимума плотности мощности тепловложения в пятне энергетического воздействия, 55 k = k (х, - текущее значение о коэФфициента сосредоточенности электронного пучка.

КоэфФициент сосредоточенности связан с сигналом управления фокусировкой электронного пучка пропорциональной з азисимостьи k (x p ) =) Ф g (х ), где — коэффициент пропорциональности.

780079

Диаметр d> пятна энергетического воздействия условно определен на уровне 5Ъ от максимального значения.

Предлагаемый способ может быть реализован в устройстве, изображенном на Аиг.2, следующим образом. С помощью электронной пушки 1 инжектируют электронный пучок 2 на поверхность объекта нагрева 3. Распределение температуры на поверхности объекта измеряют сканирующим пирометром 4, а сигналы, соответствующие этой температуре, подают на сравнивающее устройство 5. Одновременно туда же поступают сигналы, соответствующие заданной температуре, с задающего блока 6. В сравнивающем устройстве Аормируют сигналы рассогласования, которые затем подают в блок. 1 Аормирования сигнала управления мощностью электронного пучка, блок S Аормирования сигнала управления скоростью движения электронного пучка и блок 9 формирования сигнала коррекции фокусировки электронного пучка. В блоки 7 и 8, кроме сигналов рассогласования, поступают также заданные сигналы из программного блока 10. Сигналы управ ления мощностью,сАормированные в блоке 7, подают на электронную пушку .для управления мощностью электронного пучка, а сигналы управления скоростью, сформированные в блоке 8, подают на отклоняющую систему 11 для управления скоростью движения электронного пучка. В блоке 9 сигналы рассогласования усредняют, усредненные значения сравнивают с сигналом рассогласования и выделяют раэностные сигналы, пропор.ционально которым формируют сигналы коррекции фокусировки электронного пучка. Сигналы коррекции, а также заданные сигналы фокусировки, поступающие из программного блока 10, алгебраически складывают в сумматоре 12. Полученные суммарные сигналы подают на Аокусирующую систему 13 для управления фокусировкой электронного пучка.

При использовании фокусировки электронного пучк в качестве управляющего воздействия в процессе регулирования температуры в электроннолучевых установках закон движения электронного пучка может быть достаточно простым, легко реализуемым аппаратурно, например, синусный, круговой, спиральный законы, закон построчной развертки и др.

Применение предлагаемого способа в процессах плавки металла в кристаллизаторах позволит получать более качественный металл за счет уменьшения локального перегрева и угара металла (или компонентов сплава), ® а также сократить потери энергии и металла на испарение.

Формула изобретения

Способ регулирования температуры в электроннолучевой установке при воздействии на поверхность объекта нагрева движущимся электронным пучЩ ком, при котором задают сигналы мощности пучка, скорости его перемещения и фокусировки, измеряют распределение температур на поверхности объекта, сравнивают измерение температуры с заданным полем температур, ;по результату сравнения Аормируют сигнал раСсогласования в любой точке поверхности и по нему изменяют мощность и скорость движения пучка, отличающийся тем, что, ® с целью улучшения качества объекта нагрева путем уменьшения локального перегрева и потерь металла на испарение, дополнительно усредняют по всей поверхности сигнал рассогласования, сравнивают его с указанным сигналом рассогласования, Аормируют разностный сигнал, алгебраически складывают его с заданным сигналом фокусировки и по суммарному сигналу

40 изменяют фокусировку электронного пучка.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.

4> 1. Рогачев Л.В. и др. устройство управления распределением энергии электронного пучка по мишени. Материалы научно-технической конференции СКГИИ, Орджоникидзе, 1972, 50 с.273-275.

2. Авторское свидетельство СССР

9 418836, кл. G 05 0 25/02, 1972.

780079

Составитель О.Турпак

Редактор Л.ПолиОнова Техред N,Рейвес . Корректор Н.Швыдкая

Заказ 9335/18 Тираж 844 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул;Проектная,4