Преобразователь плотности тока электронного пучка Советский патент 1990 года по МПК H01J3/02 B23K15/00 

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 пространстёенного 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.

Преобразователь плотности тока электронного пучка 1 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 углом ос, 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 10 пересекает дно 3 цилиндра 2. В варианте выполнения преобразователя (фиг. 2) изделие 12 подвергается обработке. При этом

сд

CD

;о со

о со

цилиндр 2 Фарадея выполнен в виде но- лого 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

ронов резко убывает и вероятность их вылета из цилиндра Фарадея резко падает. Исходя из физических явлений, при взаимодействии электронного пучка с ме- с таллом 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 стенпучка 1 к ножевой пластине 5 он цели- ки отбросить потоки отраженных и вторич- ком проходит в щель 4 цилиндра 2 Фарадея,ных электронов внутрь цилиндра Фарадея.

Минимальный угол р наклона стенки соответствует минимальному размеру преобразопоглощается им и создает на нагрузочном сопротивлении максимальное падение напряжения и. При дальнейшем движении пуч-вателя.

ка 1 ножевая пластина 5 экранирует все 15 При фиксированных размерах щели ци- большую часть пучка 1, при этом напряже-линдра Фарадея, определяемых диаметром

исследуемого пучка, нижняя граница значения угла р наклона стенки определяется

высотой стенки преобразователя, которая ограничена требованием расположения прение на нагрузочном сопротивлении R постепенно уменьшается до нуля. Для получения распределения плотности тока электронного пучка 1 изменение напряжения U регист-, , . рируют и подвергают математической об- образователя максимально близко к свари- работке.ваемой детали (фиг. 2). Увеличение высоты Для получения пространственного рас-, стенки приводит к удалению исследуемо- пределения плотности тока пучка 1, напри-го сечения пучка от энергетически важ- мер в процессе сварки изделия. 12, исполь-ного сечения в фокальной плоскости, ко- зуется цилиндр 2 Фарадея, выполненный25 торая несет основную информацию о пров виде полого кольца 13. При этом пучок проходит через его центральное отверстие на изделие 12, а рассмотренные кратковременные отклонения пучка 1 осуществляются периодически по различным направлениям

плавляющих свойствах пучка. Верхняя граница угла р наклона стенки ограничена габаритно-весовыми характеристиками преобразователя и тепловой стойкостью наклонной стенки. Кроме того, с ростом угла р

от оси 14 кольца 13. По зарегистриро- ЗО наклона стенки ухудшаются свойства цилиндра Фарадея как ловушки для электронов.

ванным распределениям плотности тока электронного пучка 1 в различных плоскостях отклонения математической обработкой получают пространственное распределение. Преобразователь предназначен для аналиндра Фарадея как ловушки для электронов.

При падении электронного пучка на наклонную стенку поглощаемая локальная мощность в точке падения зависит от угла р

лиза свойств электронного пучка. При от- 35 наклона стенки относительно оси пучка клонении пучка полезный сигнал в видер у, р. sinp,

напряжения U появляется при экранировании ножевой пластины части пучка. Не

экранируемая ножевой пластиной часть пучгде Р - удельная мощность пучка, кВт, Р - угол наклона стенки преобразователя к оси пучка, град.

ка попадает в цилиндр Фарадея. Ввиду Следовательно, угол р наклона стенки оттого, что расстояние от среза пушки доносительно оси пучка определяет долю пог- преобразователя много больше величины лощаемой энергии в единицу времени в отклонения пучка на преобразователь (болеепроцессе измерения. Чтобы не оплавлять 50 раз для длиннофокусируемых пушек), стенку этот угол р должен быть таким, в течение всего времени анализа можно. поглощаемая мощность недостаточна считать пучок параллельным самому себе 45 для оплавления. Таким образом, макси- и перпендикулярным ножевой пластине. Примальный угол р наклона стенки опреде- попадании в цилиндр Фарадея неэкранируе- ляется мощностью исследуемого пучка, и мой части пучка возникают вторично-эмис- должен быть по возможности минималь- сионный и отраженный потоки электронов,ным. Наименьшее значение угла р -обес- которые искажают картину анализа, еслипечивающее полное отражение конического они вылетают через входную щель ци- 50 пучка при падении на наклонную стенку.

линдра Фарадея. Направление максимума потока отраженных электронов соответствует закону отражения световых пучков. Максимум потока вторичных электронов направлен по нормам к поверхности в -точке

определяется угловой апертурой пучка ф, tf

таким образом -.

Технологически важным является круговая симметрия распределения плотности мощпадения основного пучка. В соответствии 55 ности пучка, которая в процессе сварки мо- с этим невылет электронов обеспечивается жет нарушаться из-за присутствия неконтролируемых возмущений. Для контроля симметрии пучка необходим анализ распреконструктивным 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 ме- таллом 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 вторич- ных электронов внутрь цилиндра Фарадея.

исследуемого пучка, нижняя граница значения угла р наклона стенки определяется

высотой стенки преобразователя, которая ограничена требованием расположения пре, , . образователя максимально близко к свари- ваемой детали (фиг. 2). Увеличение высоты стенки приводит к удалению исследуемо- го сечения пучка от энергетически важ- ного сечения в фокальной плоскости, ко- торая несет основную информацию о про, , . образователя максимально близко к свари- ваемой детали (фиг. 2). Увеличение высоты стенки приводит к удалению исследуемо- го сечения пучка от энергетически важ- ного сечения в фокальной плоскости, ко- торая 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 р

наклона стенки ухудшаются свойства цилиндра Фарадея как ловушки для электронов.

При падении электронного пучка на наклонную стенку поглощаемая локальная мощность в точке падения зависит от угла р

наклона стенки относительно оси пучка , р. sinp,

определяется угловой апертурой пучка ф, tf

таким образом -.

деления мощности по разным направлениям, что достигается отклонением пучка на датчик 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.

Предлагаемый 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 простран0

ственном распределении плотности тока электронного пучка.

Формула изобретения

Преобразователь плотности тока электронного пучка, выполненный в виде цилиндра Фарадея с заходной щелью и электрически изолированно 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

5 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 ра0 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 цент5 рального отверстия диска бапьше внутреннего диаметра заходной щели камеры, но меньше ее внешнего диаметра.

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.

5

Л

/

Физ1

фие. г