Способ диагностики пучка заряженных частиц Российский патент 2024 года по МПК G01T1/29 

Область техники

Изобретение относится к области технологических установок для обработки материалов с помощью пучка заряженных частиц (электронов, ионов), а именно к способам определения пространственно-энергетических характеристик пучка.

Уровень техники

Известен способ определения статических характеристик электронных пучков малого сечения (патент RU 2008737 C1, МПК H01J 9/42, G01T 1/29, опубл. 28.02.1994 г.), включающий формирование электронного пучка, установку подвижной мишени в заданном сечении пучка, измерение тока пучка , регистрацию оптического излучения на плоскости мишени методом макросъемки, обработку фотопленки, фотометрирование изображения по заданным координатам, определение коэффициента увеличения оптической системы и зависимости оптической плотности изображения по плотности тока пучка, получение распределения плотности тока и размеров пучка в плоскости мишени, согласно изобретению, плоскость подвижной мишени располагают под углом α ≥ arcsin(L/R) относительно оси электронного пучка , где L - длина рабочей поверхности подвижной мишени, R - радиус исследуемого пучка, и подвижную мишень устанавливают так, что ее дальний по отношению к пушке край рабочей поверхности располагается на оси электронного пучка, регистрацию оптического излучения на плоскости мишени производят при синхронном перемещении подвижной мишени с фотокамерой, а зависимость оптической плотности изображения от плотности тока пучка определяют сопоставлением интегральной интенсивности оптического излучения электронного пучка на мишени и тока пучка на мишени.

Недостатком указанного способа является ограничение по мощности и плотности мощности диагностируемого пучка, вызванное ограниченной стойкостью металлической мишени. К тому же, при введении мишени в пучок его характеристики искажаются, что ухудшает точность определения параметров пучка.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ диагностики пучка частиц в ускорителе (патент RU2212690 C1, МПК G01T 1/29, опубл. 20.09.2003, бюл. №26), включающий регистрацию свечения, возникающего в результате взаимодействия пучка ускоренных частиц с остаточным газом путем передачи оптического изображения светящейся зоны на плоскость позиционно-чувствительного детектора и определении интенсивности и пространственно-временной структуры пучка по интенсивности и пространственно-временному распределению оптического изображения, изменяющегося в течение времени регистрации, что позволяет измерять положение и профиль пучка частиц высокой интенсивности при сохранении высокого пространственного и временного разрешения благодаря исключению влияния поля пространственного заряда пучка и влияния сильных магнитных полей, а также более высокой скорости сбора света. Для повышения чувствительности системы во время регистрации в камеру ускорителя дополнительно впрыскивают сцинтиллирующие добавки в виде управляемой импульсной струи молекулярного пара, пересекающей зону пучка, а также дополнительно собирают свет от регистрируемой зоны посредством зеркальной системы.

Недостатком этого технического решения является то, что способ не позволяет определять точное положение границ пучка на изображении, что не даёт однозначно измерить поперечный размер и другие геометрические характеристики потока частиц, а также определить плотность энергии в пучке. Кроме того, при исследовании технологических электронных пучков с относительно низкой энергией, введение молекулярного пара в зону пучка может приводить к искажению размеров и распределения плотности мощности в пучке.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей изобретения является повышение точности определения пространственных характеристик пучка заряженных частиц, который формируется в технологических установках для обработки материалов.

Технический результат изобретения заключается в повышении производительности и снижении количества брака при обработке материалов пучками заряженных частиц за счет оперативной оценки параметров электронного пучка и состояния эмиттера и своевременной коррекции параметров режима обработки.

Это достигается способом диагностики пучка заряженных частиц, заключающимся в том, что передают и регистрируют оптическое изображение свечения остаточных газов (изображение пучка), возникающее в результате взаимодействия с пучком заряженных частиц, на позиционно-чувствительный детектор, определяют характеристики пучка, отличающийся тем, что перед регистрацией оптического изображения пучка строят характеристическую кривую позиционно-чувствительного детектора, определяют масштаб регистрируемого изображения, формируют пучок заряженных частиц, имеющий заданные параметры мощности, одновременно получают цифровое изображение интенсивности свечения пучка и регистрируют мощность пучка, на основе характеристической кривой производят линеаризацию полученного изображения и корректируют цифровое изображение интенсивности свечения пучка, определяют пространственные характеристики пучка: дистанцию фокусировки пучка L_f, минимальный диаметр пучка d_min, средний диаметр пучка d_m, средний угол сходимости или расходимости пучка θ_m; определяют плотность мощности пучка q_2m.

Дополнительно в способе пучок заряженных частиц, имеющий заданные параметры мощности, формируют таким образом, чтобы минимальный диаметр пучка d_min располагался в границах регистрации изображения, при этом определяют положение границы зоны регистрации и направляют пучок на мишень.

Кроме того, в способе характеристическую кривую позиционно-чувствительного детектора строят на основании регистрации серии тестовых изображений, при этом изменяют освещенность детектора путем регулирования светового потока от источника, при регистрации каждого изображения измеряют значение освещенности люксметром.

Также в способе масштаб регистрируемого изображения определяют отношением геометрического размера объекта на изображении в пикселях к его реальному размеру, выраженному в единицах длины.

Дополнительно в способе линеаризацию полученного изображения производят путем умножения значения интенсивности каждого пикселя на соответствующе значение коэффициента линеаризации.

Дополнительно в способе пространственные характеристики пучка определяют по полученным в результате обработки цифрового изображения табличным функциям D(z) и θ(z), при этом производят вычисление координат границы пучка z, для этого на скорректированном цифровом изображении интенсивности свечения пучка выбирают строку пикселей с номером z_i, которую запоминают в виде табличной функции одной переменной яркости пикселей P(x), где независимая переменная х выражает пространственную координату в направлении, лежащем в плоскости позиционно-чувствительного детектора и перпендикулярном оси пучка и численно равна номеру пикселя, отсчитываемого от левого края цифрового изображения, значение функции P_i в каждой точке x_i принимают численно равной яркости пикселя на цифровом изображении, производят интегральное преобразование функции P(x), определяют положение левой границы b_Li и правой границы b_Ri пучка вдоль направления x в выбранном сечении z_i, выбирают новый номер строки пикселей z_i+1 и аналогично определяют координаты границ пучка b_Li+1 и b_Ri+1, после повтора вычислений для желаемого количества сечений формируют три числовых вектора z, b_L и b_R, содержащих координаты границ пучка, диаметр пучка d в каждом из сечений вектора z вычисляют путем поэлементного вычитания векторов b_R-b_L, в результате формируют вектор значений d, из значений векторов z и d формируют табличную функцию D(z), значения угла θ_m сходимости или расходимости пучка вычисляют путем численного дифференцирования функции D(z) по переменной z и записывают в табличную функцию θ(z).

Также в способе плотность мощности пучка q_2m определяют, как отношение общей мощности пучка к площади круглого сечения, имеющего диаметр равный диаметру пучка в рассматриваемом произвольном сечении.

В технологиях обработки материалов пучками заряженных частиц важной задачей является определение параметров технологического инструмента – пучка. Например, при таких методах электронно-лучевой обработки материалов как электронно-лучевая сварка, перфорация, аддитивные технологии получения материалов, модификация поверхности, минимальный размер пучка в плоскости фокусировки, положение плоскости фокусировки относительно обрабатываемой поверхности, угол сходимости пучка и плотность мощности имеют определяющее влияние на получаемый поле обработки результат. Отклонение от диапазона допустимых параметров электронного пучка может приводить к появлению различного рода дефектов и ухудшать качество обработки. Также важной задачей является определение динамики изменения параметров пучков в промежутках между технологическими циклами обработки, которая позволяет оперативно корректировать режимы обработки, диагностировать состояния эмиттеров и при необходимости проводить замену быстроизнашиваемых элементов электронных генераторов.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена система для реализации способа диагностики пучка заряженных частиц, включающая схему регистрации свечения остаточных газов в следствие взаимодействия с пучком (далее - регистрации пучка) и обработку полученного цифрового изображения для определения характеристик пучка. На фиг. 1 и приняты следующие обозначения:

1 - генератор пучка,

2 - пучок заряженных частиц,

3 – мишень,

4 – оптическая ось системы регистрации пучка,

5 – объектив системы регистрации пучка,

6 – позиционно-чувствительный детектор системы регистрации пучка,

7 – цифровое изображение интенсивности свечения пучка I*(x,y),

8 – блок математической обработки цифрового изображения,

9 – полученные параметры электронного пучка (пространственные характеристики),

x, y и z – оси декартовой системы координат.

На фиг. 2 приведена последовательность операций математической обработки цифрового изображения пучка и вычисления параметров пучка, где:

10 – процедура линеаризации полученного цифрового изображения,

11 – скорректированное цифровое изображение интенсивности свечения пучка I(x,y),

12 – математическая обработка скорректированного цифрового изображения и вычисление координат границ пучка.

На фиг. 3 приведен пример скорректированного цифрового изображения интенсивности свечения пучка I(x,y) и распределение яркости пикселей P(x) на расстоянии z_i от верхнего края кадра.

На фиг. 4 изображена схема, поясняющая процедуру математической обработки скорректированного цифрового изображения пучка для вычисления параметров пучка, где приняты следующие обозначения:

1 - генератор пучка,

2 - пучок заряженных частиц,

13 – торец генератора пучка,

14 – граница регистрации изображения (граница кадра),

15 – границы пучка,

z₀ – расстояние от торца генератора пучка до границы регистрации изображения (границы кадра),

L_f – положение минимального диаметра пучка относительно торца генератора,

d_min – минимальный диаметр пучка,

d_m – средний диаметр пучка в пределах границы регистрации изображения,

θ_m – средний угол сходимости (или расходимости) пучка.

На Фиг. 5 приведен пример скорректированного цифрового изображения пучка электронов с вычисленными параметрами электронного пучка.

Осуществление изобретения

Для реализации способа диагностики пучка заряженных частиц используют (фиг. 1): генератор пучка 1, формирующий пучок заряженных частиц 2 направленный на мишень 3, объектив 5 системы регистрации пучка, расположенный на оптической оси 4 системы регистрации пучка, и передающий оптическое изображение свечения остаточных газов (далее – изображение пучка), возникающее в результате взаимодействия с пучком 2 заряженных частиц, на позиционно-чувствительный детектор 6, одновременно формирующий цифровое изображения интенсивности свечения пучка I*(x,y) 7 и регистрирующий мощность пучка. Далее производят математическую обработку 8 цифрового изображения и получают параметры пучка 9. Процедуру математической обработки цифрового изображения 8 (фиг. 2) производят с использованием электронной вычислительной машины (ЭВМ), она заключается в линеаризации полученного изображения 10 и получении скорректированного цифрового изображения интенсивности свечения пучка I(x,y) 11, после чего производят вычисление координат границ пучка 12 и параметров пучка 9 (пространственные характеристики пучка): дистанция фокусировки пучка - положение минимального диаметра пучка относительно торца генератора пучка 13, L_f, минимальный диаметр пучка d_min, средний диаметр пучка d_m в пределах границы регистрации изображения 14, средний угол сходимости пучка θ_m, определяют плотность мощности пучка q_2m.

Изобретение реализуют следующим образом. Перед регистрацией свечения остаточных газов вследствие взаимодействия с пучком заряженных частиц 2, осуществляют предварительную настройку системы регистрации пучка и обработки полученного цифрового изображения.

Для предварительной настройки системы регистрации пучка и обработки цифрового изображения проводят регистрацию серии тестовых изображений от источника света со спектром, схожим со спектром свечения остаточных газов и обеспечивающим равномерное освещение элементов позиционно-чувствительного детектора 6 (схема настройки проста и не приводится). При регистрации серии тестовых изображений изменяют освещенность детектора 6 путем регулирования светового потока от источника, при регистрации каждого изображения измеряют значение освещенности люксметром. По результатам получают характеристическую кривую, например, с использованием ЭВМ, - зависимость средней яркости пикселя от десятичного логарифма экспозиции. На ее основе вычисляют зависимость коэффициента линеаризации от яркости пикселя на изображении, которую используют для получения скорректированного цифрового изображения пучка путем умножения значения интенсивности каждого пикселя на соответствующее значение коэффициента линеаризации.

Следующий этап настройки системы обработки изображения заключается в определении масштаба регистрируемого изображения. Для этого в области распространения пучка до включения генератора пучка 1, размещают объект, размер которого предварительно точно измеряют. Производят регистрацию цифрового изображения этого объекта на детекторе 6 и измерение геометрических размеров объекта на цифровом изображении, выраженное в пикселях. Масштаб изображения M вычисляют как отношение геометрического размера объекта на изображении в пикселях к его реальному размеру, выраженному в единицах длины, например, в миллиметрах.

Для реализации предлагаемого способа диагностики в генераторе пучка 1 (фиг. 1) формируют пучок частиц 2, имеющий заданные параметры мощности, таким образом, чтобы минимальный диаметр пучка d_min располагался в границах 14 регистрации изображения (фиг. 4), при этом определяют положение границ 14 кадра, z₀, и направляют пучок 2 на мишень 3, после чего производят регистрацию оптического изображения пучка и мощности пучка на позиционно-чувствительном детекторе 6, получают цифровое изображение интенсивности свечения пучка I*(x,y) 7. Далее производят математическую обработку цифрового изображения 7 интенсивности свечения пучка (фиг. 2) с использованием блока математической обработки 8, например, в ЭВМ, которая заключается в линеаризации 10 полученного изображения I*(x,y) 7 путем умножения значения интенсивности каждого пикселя на соответствующе значение коэффициента линеаризации, полученные при предварительной настройке и получают скорректированное цифровое изображение интенсивности свечения пучка I(x,y) 11.

Затем, например, с использованием ЭВМ производят вычисление координат границ пучка z, b_L- левая граница и b_R – правая граница, 12, для этого на скорректированном цифровом изображении интенсивности свечения пучка I(x,y) 11 выбирают строку пикселей с номером z_i, которую запоминают в виде табличной функции одной переменной яркости пикселей P(x) (фиг. 3), где независимая переменная х выражает пространственную координату в направлении, лежащем в плоскости детектора 6 и перпендикулярном оси пучка заряженных частиц 2 и численно равна номеру пикселя, отсчитываемого от левого края цифрового изображения I(x,y) 11. Значение функции P_i в каждой точке x_i численно равно яркости пикселя на цифровом изображении 11. Выбранная функция P(x) представляет собой интегральный профиль пучка в выбранном сечении с координатой z_i и содержит информацию о координатах границ пучка 15 вдоль направления x. Далее производят интегральное преобразование функции P(x), например, вейвлет-преобразование, и определяют положение левой границы b_Li и правой границы b_Ri пучка вдоль направления x в выбранном сечении z_i. Затем выбирают новый номер строки пикселей z_i+1 и аналогичным образом определяют координаты границ пучка b_Li+1 и b_Ri+1. После повтора вычислений для желаемого количества сечений формируют три числовых вектора z, b_L и b_R, содержащих координаты границ пучка. Диаметр пучка d в каждом из сечений вектора z вычисляют путем поэлементного вычитания векторов b_R-b_L, в результате формируют вектор значений d. Из значений векторов z и d формируют табличную функцию D(z). Значения угла θ_m сходимости или расходимости пучка вычисляют путем численного дифференцирования функции D(z) по переменной z и записывают в табличную функцию θ(z). По полученным в результате обработки цифрового изображения табличным функциям D(z) и θ(z) вычисляют следующие параметры 9 (пространственные характеристики пучка):

- d_min – минимальный диаметр пучка на изображении;

- d_m – средний диаметр пучка на изображении;

- θ_m – средний угол сходимости и(или) расходимости пучка;

- L_f – дистанция фокусировки пучка;

Дистанция фокусировки L_f может быть определена только в том случае, если на цифровом изображении I(x,y) 11 имеется перетяжка пучка – минимальный диаметр пучка d_min.

Плотность мощности пучка q_2m в произвольном сечении на скорректированном цифровом изображении I(x,y) 11 определяют как отношение общей мощности пучка, определяемой режимом работы генератора пучка 1, к площади круглого сечения, имеющего диаметр равный диаметру электронного пучка в рассматриваемом произвольном сечении.

На фиг. 5 приведен результат работы системы диагностики пучка применительно к электронному пучку технологической электронно-лучевой установки для обработки материалов в виде скорректированного цифрового изображения I(x,y) и вычисленными параметрами электронного пучка.

При экспериментальной реализации изобретения на технологической электронно-лучевой установке для сварки изделий ответственного назначения определены пространственные характеристики электронного пучка для различных режимов обработки (мощность электронного пучка и дистанция фокусировки) (фиг. 4) за один цикл откачки технологической вакуумной камеры. Как правило, без применения предлагаемого изобретения, настройка занимает от трех циклов откачки.

Эффективность применения предлагаемого изобретения для повышения производительности и качества получаемой продукции сильно зависит от особенностей технологического процесса: продолжительности обработки, интенсивности износа эмиттера, габаритных размеров вакуумных технологических установок и др. По предварительным оценкам, для серийного производства изделий ответственного назначения производительность может быть повышена на 10…20%, количество брака может быть снижено от 2 раз и более. Для мелкосерийного и опытного производства с большим количеством циклов переналадки производительность и качество получаемой продукции могут быть увеличены не менее чем в 2 раза.

Использование предлагаемого изобретения в составе технологических установок для обработки материалов электронным пучком позволит оперативно производить оценку параметров пучка и корректировать режимы обработки. При использовании в составе электроннолучевых технологических комплексов для электронно-лучевой сварки, перфорации, аддитивного производства, предлагаемое изобретение позволит снизить затраты на наладку, выбор режимов обработки, оперативно производить оценку состояния эмиттера, что приведет к повышению производительности за счет уменьшения времени операций настройки и наладки и к повышению качества получаемой продукции за счет снижения количества брака при оперативной коррекции режимов обработки и своевременной замене эмиттера.

Изобретение относится к области определения пространственно-энергетических характеристик пучка. Способ диагностики пучка заряженных частиц содержит этапы, на которых перед регистрацией оптического изображения пучка строят характеристическую кривую позиционно-чувствительного детектора, определяют масштаб регистрируемого изображения, формируют пучок заряженных частиц, имеющий заданные параметры мощности, одновременно получают цифровое изображение интенсивности свечения пучка и регистрируют мощность пучка, на основе характеристической кривой производят линеаризацию полученного изображения и корректируют цифровое изображение интенсивности свечения пучка, определяют пространственные характеристики пучка: дистанцию фокусировки пучка L_f, минимальный диаметр пучка d_min, средний диаметр пучка d_m, средний угол сходимости или расходимости пучка ; определяют плотность мощности пучка q_2m. Технический результат – повышение производительности и снижение количества брака при обработке материалов пучками заряженных частиц. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ диагностики пучка заряженных частиц, заключающийся в том, что передают и регистрируют оптическое изображение свечения остаточных газов (изображение пучка), возникающее в результате взаимодействия с пучком заряженных частиц, на позиционно-чувствительный детектор, определяют характеристики пучка, отличающийся тем, что перед регистрацией оптического изображения пучка строят характеристическую кривую позиционно-чувствительного детектора, определяют масштаб регистрируемого изображения, формируют пучок заряженных частиц, имеющий заданные параметры мощности, одновременно получают цифровое изображение интенсивности свечения пучка и регистрируют мощность пучка, на основе характеристической кривой производят линеаризацию полученного изображения и корректируют цифровое изображение интенсивности свечения пучка, определяют пространственные характеристики пучка: дистанцию фокусировки пучка L_f, минимальный диаметр пучка d_min, средний диаметр пучка d_m, средний угол сходимости или расходимости пучка ; определяют плотность мощности пучка q_2m.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пучок заряженных частиц, имеющий заданные параметры мощности, формируют таким образом, чтобы минимальный диаметр пучка d_min располагался в границах регистрации изображения, при этом определяют положение границы зоны регистрации и направляют пучок на мишень.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что характеристическую кривую позиционно-чувствительного детектора строят на основании регистрации серии тестовых изображений, при этом изменяют освещенность детектора путем регулирования светового потока от источника, при регистрации каждого изображения измеряют значение освещенности люксметром.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что масштаб регистрируемого изображения определяют отношением геометрического размера объекта на изображении в пикселях к его реальному размеру, выраженному в единицах длины.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что линеаризацию полученного изображения производят путем умножения значения интенсивности каждого пикселя на соответствующее значение коэффициента линеаризации.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пространственные характеристики пучка определяют по полученным в результате обработки цифрового изображения табличным функциям D(z) и , при этом производят вычисление координат границ пучка z, для этого на скорректированном цифровом изображении интенсивности свечения пучка выбирают строку пикселей с номером z_i, которую запоминают в виде табличной функции одной переменной яркости пикселей P(x), где независимая переменная х выражает пространственную координату в направлении, лежащем в плоскости позиционно-чувствительного детектора и перпендикулярном оси пучка, и численно равна номеру пикселя, отсчитываемого от левого края цифрового изображения, значение функции P_i в каждой точке x_i принимают численно равной яркости пикселя на цифровом изображении, производят интегральное преобразование функции P(x), определяют положение левой границы b_Li и правой границы b_Ri пучка вдоль направления x в выбранном сечении z_i, выбирают новый номер строки пикселей z_i+1 и аналогично определяют координаты границ пучка b_Li+1 и b_Ri+1, после повтора вычислений для желаемого количества сечений формируют три числовых вектора z, b_L и b_R, содержащих координаты границ пучка, диаметр пучка d в каждом из сечений вектора z вычисляют путем поэлементного вычитания векторов b_R-b_L, в результате формируют вектор значений d, из значений векторов z и d формируют табличную функцию D(z), значения угла сходимости или расходимости пучка вычисляют путем численного дифференцирования функции D(z) по переменной z и записывают в табличную функцию .

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что плотность мощности пучка q_2m определяют как отношение общей мощности пучка к площади круглого сечения, имеющего диаметр, равный диаметру пучка в рассматриваемом произвольном сечении.