дами. Наиболее характерным для систем с поисковым сканированием является фазоимпульсный метод выделения сигнала. При этом методе импульс от стыка отделяется от постоянной составляющей и нормиру ется по длительности и амплитуде. Его фаза сравнивается с характер ной точкой развертывающего напряжения, обычно соответствующей нулевому току в отклоняющей системе. По величине смещения им пульса от этой точки определяется отклонение пучка относительно стыка. Следует отметить, что устойчивое выделение сигнала возможно при условии превышения амплитуды сигнала над помехой в 5-10 раз. В противном случае могут происходить сбои слежения. Помехи приводят к необходимости включения в устройство слежения пороговой схемы, уровень срабатывания которой должен находиться в определенном соотношении с величинами полезного сигнала и помехи. Предполагая, что флуктуация амплитуды сигнала и помехи подчинены нормальным законам распределения Гаусса, можно определить оптимальный поро говый уровень уп, при котором обеспечивается максимальная защи щенность от помех [150]:
— |
= —+-^-ln2JV2, |
(1.7) |
A |
2 A 2 |
|
где А - математическое ожидание сигнала; а п-дисперсия помехи;
где Г3 - длительность цикла сканирования зоны обзора; тн - длитель ность импульса сигнала от стыка.
Из этого следует, что системы слежения с малой зоной обзора более защищены от помех.
В работе [151] предложен фазоимпульсный способ выделения сигнала от стыка, при котором, с целью устранения фазовых искаже ний, вносимых отклоняющей системой пушки, обрабатываются им пульсы от стыка, формируемые во время прямого и обратного ходов пучка.
При корреляционном способе обработки сигнала от стыка ис пользуется не фаза импульса, а разность фаз нескольких импульсов. Так определяется взаимокорреляция нескольких импульсов от стыка при известных параметрах развертки [130]. В ИЭС имени Е. О. Патона разработаны устройства автоматического совмещения пучка со сты ком, реализующие корреляционный метод обработки сигнала стыка: У868, У890, СУ 158, СУ 182. В этих устройствах временной интервал
между импульсами от стыка измеряется с помощью многоотводных линий задержки, реализованных на регистрах сдвига. Сравнительные испытания систем слежения за стыком с фазоимпульсным и корреля ционным методом выделения информации не смогли обнаружить су щественного преимущества метода корреляционной обработки сигнала [166]. При мощностях пучка 60...300 Вт и величине зазора в стыке 0,2...0,3 мм процесс слежения шел устойчиво. При величине зазора до 0,1 мм происходили сбои слежения.
Наиболее существенное увеличение помехозащищенности дает метод синхронного накопления. Сущность метода заключается в сле дующем. Электронный пучок периодически сканирует стык. В дис кретных точках производят измерения показаний датчика и запомина ние информации. Процесс сканирования и запоминания повторяется некоторое количество раз, после чего показания одноименных точек усредняются. Ввиду того что сигнал периодичен, а помеха - нет, пре вышение сигнала над помехой будет расти в каждой /-й ячейке накопи теля с увеличением числа циклов зондирования. Можно определить требуемое число накоплений, необходимое для обеспечения заданной помехоустойчивости, при известном начальном отношении сигнал/помеха из формулы [162]
где Рош - вероятность того, что накопленное значение помехи будет больше сигнала от стыка; п - число накоплений; /?0 - начальное отно шение сигнал/помеха.
Метод синхронного накопления обычно реализуется с помощью ЭВМ и позволяет наиболее полно использовать информационные свой ства сигнала от стыка. С использованием этого метода реализованы системы слежения по стыку [68; 73; 138] на микропроцессорах. Иссле дования отечественных и зарубежных авторов показали, что без при менения специальных методов, повышающих помехозащищенность систем слежения по стыку, не удается обеспечить требуемую надеж ность таких систем. Применение микропроцессоров и микроЭВМ по зволяет создавать системы слежения по стыку, отвечающие требовани ям помехозащищенности, надежности и удобства в эксплуатации. По данным специалистов французской фирмы «Сиаки», практически все электронно-лучевые установки этой фирмы, применяемые в авиацион ной промышленности, имеют микропроцессорное управление [191].
С начала 80-х гг. электронно-лучевые установки с компьютерным управлением выпускаются фирмами ФРГ [169; 184], Японии [158; 159; 192], США [170].
Энергетические параметры электронного пучка: ускоряющее на пряжение, ток электронного пучка и плотность распределения энергии по его сечению —являются основными энергетическими характеристи ками процесса электронно-лучевой обработки. Без контроля и стабили зации указанных параметров невозможно необходимое качество техно логического процесса. Если системы контроля и стабилизации уско ряющего напряжения и тока в настоящее время достаточно хорошо отработаны, то задача контроля и стабилизации плотности распределе ния энергии по сечению электронного пучка, требует своего решения.
Мощность электронного пучка равна q = U I. Если известен диаметр электронного пучка dy то можно получить удельную мощ ность, которая является одним из важнейших параметров процесса:
UI
Взависимости от величины удельной мощности при одинаковой погонной энергии можно получить различную конфигурацию зоны обработки. Наиболее существенным и одновременно наиболее трудно определяемым параметром электронного пучка является его эффектив ный диаметр.
Существует много различных способов экспериментального оп ределения эффективного диаметра электронного пучка. Наиболее про стым является метод вращающегося зонда [80; 128]. Сущность метода состоит в том, что тонкий вращающийся зонд, выполненный в виде вольфрамовой проволоки диаметром 0,1 мм, пересекает электронный пучок перпендикулярно его оси и отбирает на себя часть его тока. По кривой зондового тока (зондовой характеристике) можно судить о диа метре пучка. Экспериментальные данные подтверждают, что распреде ление плотности тока по сечению электронного пучка с достаточной степенью точности описывается нормальным законом распределения [148].
Втех случаях когда диаметр электронного пучка невелик, для
измерения его используют пленочный зонд, устанавливаемый между двух изолированных пластин. Толщина такого зонда составляет 1 мкм
[148]. Применение пленочных зондов позволяет исследовать электрон ные пучки, размеры которых не превышают 5...20 мкм. Зондовая ха рактеристика еще не дает полного представления о плотности распре деления энергии по сечению пучка. В работе [79] дается методика рас чета радиального распределения плотности энергии по нескольким зондовым характеристикам.
Проволочный зонд не долговечен, особенно если на него воздей ствует мощный электронный пучок. Поэтому ряд исследователей пред лагает осуществлять контроль диаметра пучка путем его отклонения на металлический коллектор [6; 16; 19; 140], соединенный с обрабатывае мой деталью через резистор. В этом случае с коллектора, имеющего размеры, превышающие диаметр пучка, во время его сканирования снимают интегральную характеристику плотности распределения энер гии. Для контроля эффективного диаметра необходимо сделать отсче ты тока отклоняющей системы, пропорциональные перемещению пуч ка на край коллектора, в определенных точках, которые соответствуют некоторому начальному току коллектора и некоторому фиксированно му току коллектора, определяемому по его максимальному значению. Разность отсчетов является диаметром электронного пучка. В устрой стве [16], помимо контроля эффективного диаметра пучка, предлагает ся осуществлять его фокусировку на поверхности свариваемого изде лия путем контроля диаметров на двух различных по высоте коллекто рах. При известных расстояниях между коллекторами и свариваемым изделием рассчитывается ток фокусирующей системы. В устройстве [19] ток острой фокусировки рассчитывается по результатам измерения диаметров электронного пучка при двух фиксированных значениях тока фокусирующей системы. Следует отметить, что подобные вычис ления и способы фокусировки пучка электронов на поверхности изде лия на практике не применяются.
В работе [140] электронный пучок периодически отклоняют на круговой коллектор за время 1...2 мс в нескольких направлениях, что позволяет рассчитать радиальное распределение плотности энергии пучка.
Метод проволочного зонда и метод прямого края не обеспечи вают необходимую точность измерения диаметра пучка из-за влияния отраженных электронов, которые воздействуют на измерения как пу тем отражения от зонда, так и при отражении от свариваемого изделия
[122].
Более точные результаты получают при отклонении пучка на щелевую диафрагму или отверстие малого диаметра, под которыми размещен цилиндр Фарадея [4; 5; 20; 76; 126; 137; 139; 176; 179; 183;
187; 193]. Использование цилиндра Фарадея позволяет исключить влияние вторично-электронной эмиссии на процесс измерения. Для обработки информации в этих устройствах используется ЭВМ.
Проведены исследования влияния на параметры пучка уско ряющего напряжения, тока сварки, давления в вакуумной камере, де фектов в катоде. Установлено, что на геометрию пучка влияют измене ния ускоряющего напряжения и тока электронного пучка. Фокусировка на малом токе не дает положительных результатов, особенно при свар ке изделий больших толщин [186]. Отмечено также влияние на форму пучка изменения давления в вакуумной камере в диапазоне от 13 до
130Па.
Вработе [187] анализируется влияние на форму распределения энергии по сечению пучка различных дефектов катода. Начато созда ние экспертной системы для автоматической диагностики электронно оптических систем пушек. Проведение такой работы особенно необхо димо при использовании ЭЛС в автоматизированных технологических комплексах для крупносерийного и массового производства.
Вряде работ приводятся сведения об использовании дифферен циального коллектора для измерения диаметра пучка [50; 120], содер жащего два электрода, разделенных диэлектриком. Иногда такие кол лекторы выполнены в виде термопары. В этом случае при пересечении такого коллектора электронным пучком измеряется термоЭДС [13; 48].
Интересно предложение использовать матричный оптический датчик [157] для контроля плотности распределения энергии по сече нию пучка. Такой датчик содержит коллектор со множеством отвер стий и нижнюю пластину с фотоприемниками, эти пластины разделены флюоресцирующей прослойкой, содержащей центры флюоресценции в соответствии с расположением фотоприемников. Ячеистая структура позволяет более точно измерять сигнал после обработки данных о ко личестве сработавших фотоприемников. При использовании такого матричного датчика не требуется сканирования по нему пучка. Элек тронный пучок на некоторое время отклоняют на датчик и производят одновременное считывание показаний фотоприемников.
Оригинальное решение предложено в работе [41] - использовать вспомогательный электронный пучок для зондирования им технологи ческого пучка. Выяснено, что вспомогательный пучок рассеивается при взаимодействии с пересекающим его технологическим пучком, причем по величине рассеяния можно судить о диаметре технологического электронного пучка. Предлагаемый способ является бесконтактным и в связи с этим лишенным основного недостатка, присущего всем осталь ным способам, в которых измерительный инструмент-зонд или коллек