1499
.pdf
Рис. 1.15. Блок-схема измерения радиального распределения интенсивности пучка: I – объектив (как правило, часть пушки); II – сканирующее (модуляционное) устройство; III – цилиндр Фарадея и IV – блок обработки данных и дисплей
Узел сбора данных обычно состоит из: а) сканирующего зонда; б) отверстия в тугоплавкой пластине; в) диска, содержащего щель, и позволяет измерять проходящую или поглощенную часть пучка с помощью коллектора, цилиндра Фарадея и т.п. При измерении параметров интенсивных пучков (значения мощности сварочных пучков превышают 1 кВт и достигают десятков или даже 100–120 кВт) пучок имеет энергию, достаточную для разрушения большинства датчиков коллекторов тока, размещенных на пути пучка. В связи с этим датчик облучается сравнительно небольшой порцией всего тока пучка и в течение малого отрезка времени.
На рис. 1.3 показан метод отверстия. Эта техника трудноприменима для непосредственного использования в случае мощных пучков из-за теплового разрушения первой пластины А. Для решения описанной проблемы при измерении различных параметров пучков (конфигурация и размеры сечений, энергетическое распределение, плотность тока, профиль) применяются различные подходы и устройства [12–17]. Количественная оценка про-
51
филя пучка в одном поперечном сечении может быть выполнена с помощью устройства с вращающимся зондом (рис. 1.16). Этот один из самых ранних методов является достаточно простым. В процессе работы устройство осуществляет сканирование пучка тонким проводником (зондом). При пересечении пучка зонд отбирает часть тока пучка. По полученным осциллограммам тока, протекающего через зонд, можно оценить диаметр пучка. В конечном счете зарегистрированный сигнал – это зависимость тока, отобранного зондом, от координаты х, совпадающей с направлением движения зонда в изучаемом поперечном сечении – j(x). Вто же время вместо j(x), интегрированного на участке проволоки, попавшей в область пучка, больший интерес представляет j(r).
Рис. 1.16. Измерение вращающимся зондом профиля пучка: 1 – катод, 2 – анод, 3 – фокусирующая система, 4 – вращающаяся проволока, 5 – коллектор, 6 – электромотор, 7 – осциллограф, 8 – источник питания и управления движения
52
При использовании вместо проволоки щели сигнал также интегрирован по длине отбирающей ток щели, и на детальную информацию о распределении плотности тока в каждой точке поперечного сечения пучка, как и в случае вращающегося зонда, рассчитывать трудно. Чтобы найти плотность тока в одной точке вместо ее значения, интегрированного по длине линии (щели, проволоки), следует произвести обратное интегральное преобразование Абеля [20] после принятия гипотезы об
осесимметричном распределении тока пучка. Это преобразо-
вание – частный случай интегрального уравнения Вольтера 1-го рода и типичная некорректная обратная математическая задача, решение которой нестабильно при малых изменениях входных данных. В любом случае из-за пренебрежения величиной сигнала на больших расстояниях от оси пучка имеется вероятность наблюдения фальшивого минимума на оси пучка
[18, 20].
Другие причины погрешностей – это вторичные и отраженные электроны и термоэлектронная эмиссия от нагретого проводника или стенок щели. Принципиальное ограничение метода вращающегося зонда – плохой теплоотвод от проволоки. Аналогичные трудности существуют и при методе косого края, где движение пучка относительно измерительного элемента играет роль вращения при методе вращающегося зонда.
Важно отметить, что конструкция ряда устройств для измерения профиля пучка и формирование сигнала в них позволяют проводить анализ на основе рассмотрения их пространст- венно-частотных характеристик [18]. Матрица из 32× 32 достаточно коротких отбираемых импульсов и полоса пропускания линии с частотой вдвое выше максимальной частоты передаваемого спектра достаточны для адекватного изображения неаппроксимированного распределения тока пучка.
Другой вариант использования модифицированного метода вращающегося зонда показан (для случая не очень мощного широкого пучка) на рис. 1.17. Здесь многопроволочный
53
коллектор, составленный из отстоящих друг от друга тугоплавких проволочек, двигается, пересекая анализируемый пучок в исследуемом поперечном сечении. Если движение многопроволочного сканера сделать круговым, то тогда можно применить методы томографской обработки данных и реконструировать двумерное распределение плотности тока пучка, преодолевая трудности, связанные с использованием преобразования Абеля.
Рис. 1.17. Измерение профиля пучка с многопроволочным сканером
Развитие модифицированного метода отверстия, которое позволяет измерять профиль пучка без перегрева первой пластины, без аппроксимации распределения плотности тока и без трудностей преобразования Абеля, показано на рис. 1.18. При этом методе пучок сканируется прямоугольным отверстием, образованным двумя взаимно перпендикулярными щелями [14]. Здесь профиль пучка в исследуемом поперечном сечении изучается поэтапно. Сначала первая плита 1 двигается, а вторая плита 2 неподвижна. После описания одной строки растра вторая плита 2 занимает позицию второй строки, и многоступенчатое движение первой плиты 1 повторяется. Электронный пучок действует на датчики только в этот момент времени, а в течение остального времени отклоняется на водоохлаждаемый коллектор 4. Данный метод обеспечивает оченьвысокое отношение сигнал – шум.
54
а |
б |
Рис. 1.18. Развитие модифицированного методаотверстия: а– схема модифицированного измерителя профиля пучка; б – конструкция первой водоохлаждаемой плитыи позиция пучка вовремя эксперимента; 1 – первая входная водоохлаждаемая плита; 2 – вторая плита; 3 – цилиндр Фарадея; 4 – коллектор отклоненного пучка; 5 – ПКотклоненного пучка; 6 – фокусирующая система; 7 – отклоняющая катушка;
8 – электронный луч;
Пример применения метода для экспериментального определения трех профилей пучка электронно-лучевой сварочной установки, соответствующих трем поперечным сечениям пучка, показан на рис. 1.19, а, б в. На рис. 1.19, г, д, е показаны аппроксимации экспериментального распределения значений плотности тока пучка в соответствующих сечениях, необходимые для нахождения эмиттанса. В случае томографской реконструкции профиля пучка [11, 12, 16, 17] эта аппроксимация не производится. Вместо этого вводятся данные об интегральной плотности тока по множеству линий, сканирующих поперечное сечение пучка последовательно. Далее сканирование повторяется под разными углами. Результаты комбинируются вместе, реконструируя таким образом детальное реальное изображение профиля пучка.
55
Рис. 1.19. Распределение значений плотности тока пучка для 3 сечений: a, г – z = 320 мм; б, д – z = 245 мм; в, е – z = 170 м;
а, б, в – определенные экспериментальным путем; г, д, е – аппроксимация экспериментальных данных
Пример томографского измерения был показан на рис. 1.17. Здесь ток, отбираемый с каждой проволоки многопроволочного сканера, измеряется для равных инкрементов угла вращения ∆θ. Каждый комплект измерений называют «проекцией пучка»
(рис. 1.20).
Для томографской реконструкции нужно множество проекций, снятых последовательно, после М шагов (угловых инкрементов) до достижения поворота на ≈ 180°. Далее следует быстрое прямое преобразование Фурье проекции пучка (рис. 1.21) из пространства измерений плотности тока в частотный спектр и их обратное преобразование из частотной области f (u,v) в область измерений, т.е. двумерное пространство j (x,у).
Другая возможность технической реализации измерения проекции под разными углами среза пучка – это использование вращающейся дорожки (рис. 1.22). Этим методом можно после-
56
Рис. 1.20. Измерение |
Рис. 1.21. Быстрое преобразование |
проекции под углом |
Фурье проекции пучка |
среза пучка θ |
|
Рис. 1.22. Измерение вращающейся дорожкой интегралов по линии и проекции плотности тока пучка под углом щели
довательно получить величины интегралов тока по линии щели для различных моментов пересечения пучка, а потом соответствующие проекции пучка (щели под другим углом по направлению движения). Однако данный метод не позволяет получить проекции, соответствующие углам, совпадающим с направлением вращения дорожки или близким к нему. Для получения пре-
57
цизионного набора нужных проекций можно изменять ориентацию вращающимися дорожками относительно пучка.
В случае возможности вращения пучка по кругу отличное решение – это использование цилиндра Фарадея, на входе которого имеется диск с радиальными щелями (рис. 1.23) [11, 16]. При этой технике измеряют интегрированный ток, прошедший через щели и проекции плотности тока пучка, получаемые после пересечения всех щелей, расположенных под равными углами около оси пучка. Одна из щелей имеет отличающуюся от остальных ширину, или расстояние до соседних щелей. Это делается для того, чтобы в результате измерений была понятна ориентация измерительного устройства (а значит, и полученного распределения) по отношению к технологической камере. Стенки щелей могут быть сделаны с двухсторонним наклоном 5° к вертикальной плоскости (рис. 1.24). Рис. 1.25 представляет
Рис. 1.23. Модифицированный цилиндр Фарадея с тугоплавким диском на входе для отбора проекции плотности тока пучка:
1 – цилиндр Фарадея; 2 – изолятор; 3 – тугоплавкий, отбирающий ток диск с радиальными щелями; 4 – корпус измерительного устройства; 5 – исходный контакт для снятия сигнала; 6 – винт земли; 7 – внутренний диаметр цилиндра Фарадея
58
позиции точек в частотной области, в которых сигнал подвергается обратному преобразованию Фурье в пространственную область аппроксимации сигнала.
Рис. 1.24. Диск из вольфрама |
Рис. 1.25. Точки в частот- |
с радиальными щелями и поперечное |
ной области, в которых |
сечение одной щели |
выполняется обратное |
|
преобразование Фурье |
Рис. 1.26. Модифицированный цилиндр Фарадея: 1 – дополнительный экран для улавливания отраженных электронов со стенок более широкой щели; 2 – второй цилиндр Фарадея для калибровки (измерение всего тока пучка при центровке прибора с пучком); 3 – углеродный диск для минимизации обратно отраженных и вторичных электронов и улучшение термической стабильности; 4 – фланец для прижатия тугоплавкого входного диска; 5 – контакт
для снятия сигнала
59
Рис. 1.27. Устройстводляизмеренияпрофиляпучка. Входнойдискимеет7 щелей
Модифицированный цилиндр Фарадея, предложенный в работах [16, 17] для более точного измерения профиля пучка, без погрешностей, вносимых вторичными электронами, показан на рис. 1.26, 1.27. Томографская техника реконструирования широко используется во многих научных областях, включая медицину и исследование материалов. Для этих областей разработаны подходящие программные продукты.
1.1.11. Измерение углового распределения электронов пучка и расчет эмиттанса
Основной способ измерения углового распределения электронов пучка – это применение двух подвижных пластин с малыми отверстиями и коллектора электронов за ними. Метод малых отверстий, показанный на рис. 1.3, трудно применим для описания пучков с мощностью более нескольких тысяч вольт изза разрушения первой пластины, интенсивно нагреваемой пучком. Отметим, что согласно анализу, описанному в работе [18], для адекватного детального описания углового распределения
60