СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКА РАДИАЛЬНО СХОДЯЩИХСЯ ЛЕНТОЧНЫХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к экспериментальным методам анализа параметров электронных пучков, в частности, диагностики радиально сходящихся ленточных пучков, эмитированных кольцевой газоразрядной плазмой, и может быть использовано как самостоятельное устройство для получения необходимой информации об азимутальной однородности воздействующих на обрабатываемый объект пучков.

Известны прямые методы, основанные на измерении характеристик электронных пучков: тока, плотности тока, энергии (скорости), распределения этих величин в поперечном сечении и т.д. [Молоковский С.И., Сушков А.Д. Интенсивные электронные и ионные пучки. Москва: Энергоатомиздат, 1991, с.271-272] .

Известен метод подвижной щели и прямого края пластины, который позволяет измерять размеры поперечного сечения пучка и распределение плотности тока по нему. Он применим как для ленточных, так и для аксиально-симметричных пучков. Сущность метода состоит в том, что поперек пучка ставится пластина с вырезанной в ней узкой щелью. По величине тока, проходящего через щель при различных ее положениях относительно оси пучка, определяются параметры пучка. Длина щели выбирается заведомо больше диаметра пучка [Балекин В.И., Иванов А. Н. Методы анализа электронных пучков. Ленинград: ЛЭТИ им. В.И.Ульянова, 1978, с.39-41]. Недостатком метода являются сложные физико-технические условия. Коллекторная пластина изготавливается из тантала, обладающего характерными физическими, в том числе вакуумными свойствами. Движение коллектора передается в вакуум с помощью сильфона или штока с вакуумными уплотнителями. Для отсчета перемещений используется микротехнический винт или концевые измерители перемещений. К недостаткам можно отнести и степень надежности работы устройства для осуществления способа измерений. Снижение степени надежности происходит из-за внезапного нарушения герметизации вакуумных уплотнителей привода движения коллекторной пластины.

Известен метод вибрирующего зонда. Сущность метода состоит в том, что тонкий колеблющийся зонд, пересекая пучок перпендикулярно к оси, отбирает небольшую часть его тока. По кривой зондового тока определяют параметры пучка. Связь между зондовым током и плотностью тока пучка описывается интегральным уравнением. Недостатком метода является введение дополнительных элементов, в том числе источника постоянного напряжения с измерительными приборами, что приводит к усложнению метода и его устройства, а также выполнения косвенных (промежуточных) расчетов, в результате повышается трудоемкость метода [там же, с.49-54].

Известен метод дырочной камеры, взятой в качестве прототипа. Сущность метода заключается в следующем.

На пути пучка помещается пластина с отверстием, вырезающим из всего пучка малую часть, которая в дальнейшем и исследуется. Отверстие выбирают достаточно малым, чтобы плотность тока по его сечению была постоянна. В результате ток выделенной части пропорционален плотности тока в месте расположения отверстия. Перемещая отверстие перпендикулярно оси пучка, можно исследовать распределение плотности тока [Балекин В.И., Иванов А.Н. Методы анализа электронных пучков. Ленинград: ЛЭТИ им. В.И. Ульянова, 1978, с.42-49].

Известно устройство, содержащее электронную пушку, коллекторную пластину с малым отверстием и флюоресцирующий экран, расположенный на определенном расстоянии от пластины. Перемещение коллекторной пластины осуществляется с помощью сильфона или штока, т.е. привод находится в двух неравновесных средах - атмосфере и вакууме [там же, с.42-43].

Однако применять такое устройство для измерения распределения тока радиально сходящихся ленточных пучков электронов невозможно по следующим причинам.

1. Ограниченность использования по количественному признаку (числу исследуемых пучков одновременно).

2. Перемещение коллекторной пластины из одной среды в другую осуществляется специальными устройствами, требующими выполнения вакуумных условий, сопряженных со спецификой вакуума.

Недостатком метода и устройства для его осуществления являются вышеописанные причины, а в случае принципиально возможного применения для измерения распределения тока радиально сходящихся пучков электронов - неточность методики и результатов измерений, а также повышенная трудоемкость процесса измерения и сложность конструкции всего устройства.

Технический результат изобретения - повышение эффективности, снижение трудоемкости измерения распределения токов радиально сходящихся пучков электронов, простота и удобство конструкции прибора.

Для достижения технического результата в способе измерения распределения тока радиально сходящихся ленточных пучков электронов, включающем пропускание части электронного пучка через перфорированный коллекторный электрод с дальнейшей фиксацией и измерением, электронные пучки пропускают через кольцевой перфорированный коллекторный электрод, фиксируют одним вращающимся внутри перфорированного коллекторного электрода цилиндром Фарадея, выполненным с возможностью радиального перемещения, а все измерения распределения тока пучков электронов производят в вакууме.

А в устройстве для осуществления способа, включающем перфорированный коллекторный электрод, оно содержит цилиндр Фарадея, который выполнен вращающимся и с возможностью радиального перемещения внутри перфорированного коллекторного электрода, который выполнен в форме кольца со сквозными отверстиями малого диаметра, причем перфорированный коллекторный электрод установлен таким образом, чтобы центры его сквозных отверстий совпадали с центрами ячеек Пеннинга с локальным плазменным образованием, из которого извлекаются электроны под действием плавно регулируемого ускоряющегося напряжения.

Изобретение иллюстрируется фиг.1 и фиг.2а, б (фотография).

На фиг.1 показана схема устройства, где:
1 - ячейка Пеннинга с локальным плазменным образованием, 2 - коллекторный электрод, 3 - отверстия, 4 - цилиндр Фарадея, 5 - защитный экран, 6 - эмиссионная щель, 7 - источник питания разряда, 8 - высоковольтный выпрямитель.

Принцип действия
Электроны из газоразрядной плазмы, локализованной в 28-ми ячейках Пеннинга 1, через эмиссионную щель 6 извлекаются подачей от высоковольтного выпрямителя 8, плавно регулируемого ускоряющего напряжения 0-15 кВ между анодом и коллекторным электродом 2 диаметром 150 мм, выполненного из стали с 28-ю отверстиями 3 диаметром 1,2 мм. Коллекторный электрод 2 установлен таким образом, чтобы центры его сквозных отверстий совпадали с центрами ячеек Пеннинга 1 с локальным плазменным образованием.

Часть извлеченных электронов сквозь отверстия в кольцевом коллекторном электроде 2 попадает в цилиндр Фарадея 4, который, равномерно вращаясь внутри коллекторного электрода, регистрирует ток электронов поочередно из 28-ми отверстий. Сигнал с цилиндра Фарадея 4 регистрируется измерительным прибором, таким образом устройство позволяет измерять азимутальное распределение тока радиально сходящихся пучков электронов.

На фиг. 2а, б представлено устройство для осуществления способа измерения распределения тока радиально сходящихся ленточных пучков электронов, где:
2 - коллекторный электрод, 3 - отверстия, 4 - цилиндр Фарадея, 5 - защитный экран (часть экрана с отпечатками пучков), 9 - защитный кожух (фторопластовая трубка), 10 - держатель цилиндра Фарадея, 11 - втулка токопроводящая, 12 - держатель прижимной клеммы токосъемника, 13 - электропровода, 14 - синхронный электродвигатель, 15 - опорный диск (столик), 16 - шпилька, 17 - диэлектрический переходной вал.

Цилиндр Фарадея длиной 60 мм и диаметром 5 мм помещен в защитный кожух 9 для исключения тока утечки с его боковой поверхности, во внутренней полости имеется входной канал, уменьшающий угол отражения собранных электронов за счет конструктивного исполнения дна цилиндра с малым поперечным сечением, крепится в диэлектрическом держателе 10 с помощью металлической шпильки 16, с учетом возможного радиального перемещения. Через диэлектрический держатель 10, запрессованный в медную токопроводящую втулку 11, вставленную и закрепленную винтом в диэлектрический переходной вал 17, цилиндр Фарадея устанавливается на ось синхронного электродвигателя (СД-54) 14. При включении в электрическую цепь электродвигателя 14 по электропроводам 13 через электрический разъем в вакуумной камере цилиндр Фарадея приводился во вращение со скоростью 2,24 об/мин вокруг своей оси в горизонтальной плоскости 28-ми сквозных отверстий внутри кольцевого перфорированного коллекторного электрода 2. Электроны, проникающие сквозь малые отверстия в коллекторном электроде 2, попадают в цилиндр Фарадея, который выдает электрические сигналы на регистрирующий измерительный прибор. Таким образом, на пути 28-ми радиально сходящихся ленточных пучков электронов устанавливался кольцевой коллекторный электрод с отверстиями, диаметр которых (1,2 мм) заведомо меньше сечения исследуемых пучков (1,5х10 мм²), в результате ток выделенной части пучка пропорционален плотности тока в месте расположения отверстий:
,
где I (r) - ток, проходящий через отверстие, S - площадь поперечного сечения отверстия.

Погрешность измерений, обусловленная ошибкой δ в измерении тока, определяется из выражения:
.

Т. е. ошибка в определении плотности тока зависит от абсолютной ошибки δ в измерении тока электронов, проходящих сквозь отверстие площадью поперечного сечения S.

Численная оценка показала относительно небольшой разброс электронных токов и не превышает ±5%, с учетом погрешности измерения.

Экспериментальные результаты могут считаться вполне достоверными, поскольку они получены при стабильной эмиссии электронов, а регистрация и измерение токов проводились с многократным повторением вращающимся цилиндром Фарадея - одним из самых точных приборов.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления дает основание считать радиально сходящиеся пучки электронов однородными по периметру (длина окружности) коаксиально установленной мишени (образца), а равномерный вклад энергии ускоренных электронов в поверхность обрабатываемой детали производить термообработку в технологических процессах различного назначения.

Эксперименты проводились на лабораторном стенде. Плазменный источник радиально сходящихся электронов устанавливался на опорный изолятор, через который соединялся с вакуумной камерой, имеющей электрический вакуумный ввод. Смонтированный на диске (столике) цилиндр Фарадея устанавливался соосно с опорным изолятором, а коллекторный электрод крепился на вакуумно-плотной крышке, имеющей отбортовку для центрирования системы устройства. Вакуум создается в рабочей камере двумя последовательно соединенными вакуумными насосами по известной схеме с байпасной линией откачки и поддерживается в эксперименте ≈р=5•10^-2 Па.

Данный способ измерения распределения тока радиально сходящихся ленточных пучков электронов дает принципиальную возможность проводить фиксацию и измерение в произвольно выбранном участке радиально сходящихся пучков.

Изменяя диаметры коллекторного электрода и соответственно радиально перемещая цилиндр Фарадея, сохраняя при этом все остальные элементы устройства, в зависимости от условий экспериментального исследования можно измерять распределение тока радиально сходящихся электронных пучков с целью получения информации об их степени азимутальной однородности.

Для проведения ряда технологических операций, таких как электронно-лучевая закалка, пайка и сварка деталей цилиндрической формы, отверждения лаков и смол на поверхности проводов и кабелей, повышения термостойкости полимерных труб и т. д., очень важен равномерный, требуемый вклад энергии ускоренных электронов - плотность мощности, в зависимости от конкретного вида технологического процесса. При практическом использовании заявляемое изобретение станет ключевым в электронно-лучевой технике, поскольку способ измерения распределения тока и устройство для его осуществления позволяет устанавливать истинные значения токов электронных радиально сходящихся пучков, как с круглым сечением, так и плосколучевого типа. Применение одного вращающегося цилиндра Фарадея, который является самым точным прибором с большим диапазоном измерений тока, снижает трудоемкость процесса измерений, повышает точность методики. Устройство отличается простотой конструкции, удобством в обслуживании и изготовлении, имеет несложные сборные элементы, легко встраивается в коаксиальную систему.

Использование: для получения необходимой информации об азимутальной однородности воздействующих на обрабатываемый объект пучков электронов. Технический результат заключается в повышении эффективности, снижении трудоемкости измерения, простоте и удобстве конструкции прибора. Способ измерения распределения тока радиально сходящихся ленточных пучков электронов включает пропускание части электронного пучка через перфорированный коллекторный электрод с дальнейшей фиксацией и измерением его одним вращающимся внутри коллекторного электрода цилиндром Фарадея, выполненным с возможностью радиального перемещения, а все измерения распределения тока пучков электронов производят в вакууме. Устройство для осуществления способа включает перфорированный коллекторный электрод, цилиндр Фарадея, который выполнен вращающимся с возможностью радиального перемещения внутри перфорированного коллекторного электрода, который выполнен в форме кольца со сквозными отверстиями малого диаметра и расположен таким образом, чтобы центры его сквозных отверстий совпадали с центрами ячеек Пеннинга с локальным плазменным образованием, из которых извлекаются электроны под действием плавно регулируемого ускоряющего напряжения. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения распределения тока радиально сходящихся ленточных пучков электронов, включающий пропускание части электронного пучка через перфорированный коллекторный электрод с дальнейшей фиксацией и измерением, отличающийся тем, что электронные пучки пропускают через кольцевой перфорированный коллекторный электрод, фиксируют одним вращающимся внутри перфорированного коллекторного электрода цилиндром Фарадея, выполненным с возможностью радиального перемещения, а все измерения распределения тока пучков электронов производят в вакууме. 2. Устройство для осуществления способа по п.1, включающее перфорированный коллекторный электрод, отличающееся тем, что оно содержит цилиндр Фарадея, который выполнен вращающимся и с возможностью радиального перемещения внутри перфорированного коллекторного электрода, который выполнен в форме кольца со сквозными отверстиями малого диаметра, причем перфорированный коллекторный электрод установлен таким образом, чтобы центры его сквозных отверстий совпадали с центрами ячеек Пеннинга с локальным плазменным образованием, из которого извлекаются электроны под действием плавно регулируемого ускоряющего напряжения.