[发明专利]电子束流功率密度分布的微分测试方法

说明书

技术领域

本发明属于电子束流加工技术领域，特别是一种电子束流功率密度分布的微分测试方法。

背景技术

对一台电子束焊机，为研究电子枪的理论设计与实际的差异，电子枪供电系统的稳定度与真空度变化等因素对电子束斑点直径与功率密度分布的影响，以及束斑尺寸与位置对焊缝成形的影响，需要精确地研究束流的特性，定量地测得电子束焦点的位置、直径及束流功率密度的分布。

目前，电子束焊接焦点的测量有小束流经验法、AB测试法、探针式测试法、阀值功率密度测试法以及DIABEAM测试法（[1]周琦, 刘方军, 关桥. 电子束流焦点和测量方法进展及分类[J]. 焊接, 2004(01):5-10. [2]Dilthey U, Goumeniouk A, Bohm S, et al. Electron beam diagnostics: A new release of the diabeam system[J]. Vacuum, 2001,62(2-3):77-85.）。其中小束流经验法只能大致判断焦点位置，操作者的经验影响因素较大；日本Arata教授发明的Arata-Beam Teat Method(AB法)，是将金属片竖直放置在不同的高度，呈锯齿斜坡状，电子束流沿斜坡扫过，通过测量电子束流在金属片上熔化宽度的痕迹，测定电子束流在不同工作距离的空间直径和焦点位置，熔宽的测量误差大；探针式测试法由于探针直径很小，在大功率密度下很快被烧化，只适用于小功率密度的测量，同时还有二次电子发射，将影响测量精度；阀值功率密度测试法基于法拉第筒，但其依赖于假定的功率密度分布为圆周对称，具有局限性；DIABEAM测试法可以测量较大功率电子束流的束斑直径和电子束流能量密度分布，收集电流的小孔面积大小会影响测量精度，且飞溅的金属容易堵上小孔。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电子束流功率密度分布的微分测试方法，该方法用细缝代替小孔收集电子束流，在扫描方向上提高了测量精度，定量地测量电子束焦点的位置、直径及电子束流功率密度分布。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种电子束流功率密度分布的微分测试方法，步骤如下：

1.1测试系统的布置，测试系统包括电子束焊机、能量吸收装置、法拉第筒传感器、工控机，电子束焊机包括电子束发射阴极、聚焦线圈、偏转线圈、工作台和焊机控制系统，电子束流在电子枪中由电子束发射阴极产生，聚焦线圈、偏转线圈同轴，聚焦线圈在偏转线圈上面，能量吸收装置和法拉第筒传感器安装在工作台上，法拉第筒传感装器位于电子束焊机的偏转线圈正下方，能量吸收装置放置在法拉第筒传感器左侧并且处于同一水平线上，法拉第筒传感器与工控机中的数据采集卡连接；电子束流经过静电聚焦后，再由电子束焊机的聚焦线圈控制其聚焦状态，电子束流穿过聚焦线圈、偏转线圈，在焊机控制系统的驱动下，偏转线圈控制电子束流偏摆扫描，电子束流发生大角度偏转至能量吸收装置上；

1.2法拉第筒传感器的设计，法拉第筒传感器上安装钨片，垂直于钨片并在钨片中心加工细缝，在整个偏转扫描过程中电子束流的投影斑点始终在钨片的上运动，正程扫描路径和逆程扫描路径是位于钨片表面的投影斑点运动轨迹；

1.3电子束流沿平行于细缝长度方向的路径运动，为正程扫描路径，当电子束流在测试过程经过细缝，则电子束流中的部分电子会进入细缝被法拉第筒传感器吸收，此过程采集的信号为有效信号，将用于后续处理；

1.4当电子束流完全经过细缝后逆向运动，并在垂直于细缝长度方向上步进△y，为逆程扫描路径，此过程中当电子束流经过细缝时，同样会有部分电子会进入细缝被法拉第筒传感器吸收，但为保证采集信号的相位关系，此过程采集的信号为无效信号，将不予存储；

1.5重复步骤1.3和1.4，使电子束流在钨片上的投影斑点从细缝的一侧运动到另一侧；

1.6设电子束流的电流密度分布函数为f(x,y)，则功率密度分布函数为g(x,y)=f(x,y)·U_a，其中U_a为电子束流加速电压；细缝宽度为d，由于d很小，假定在d区域内沿Y方向上的电流密度分布是均匀的，即在此区域内的电流密度分布与y无关，所以第i次正程扫描得到的电流密度分布简化为f_i(x)，已知电子束流的偏转扫描速度为v：