基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法及系统，该方法包括：波形发生器接收指令信号，根据指令信号输出波形，指令信号中预先设定了波形的偏转速率以及维度；偏转装置根据波形将被测电子装置输出的电子束进行偏转；屏蔽环屏蔽电子束；屏蔽环的孔填充的能量吸收部件吸收电子束；传感器感应通过环形沟槽的电子束，得到电子束的模拟电压信号，环形沟槽设置在屏蔽环上且与屏蔽环为同心圆；数据采集器采集模拟电压信号，得到离散电压信号，并将离散电压信号发送至数据处理系统；数据处理系统对所述的离散电压信号进行反演，得到电子束的三维重构图。实现了对大功率电子束束流及其他带电粒子的能量分布进行高精度测定。
【专利说明】基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明关于能量密度测量【技术领域】，特别是关于电子束束流能量密度的测量技术，具体的讲是一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法及系统。
【背景技术】
[0002]现有技术中，对电子束束流能量密度进行测定的方法主要包括小孔逐点信号采集测定方法和单缝或热丝信号采集测定方法两种，下面逐一进行介绍。
[0003]其中，小孔逐点信号采集测定方法是利用高速、高精度扫描控制系统，将束流快速地在小孔上进行二维扫描，同时高速、高精度数据采集系统进行数据采集，最后由计算机生成三维电子束能量密度分布图，并进行一些特征信号的提取。
[0004]单缝或热丝电子束能量密度测定方法是利用扫描电路进行束流偏转，由单缝或热丝获取束流信号，该方法仅能获取电子束能量分布一个维度的信息，精度较差，与束流实际分布相差较大。
[0005]现有技术中常用的上述两种电子束能量密度的测定方法中，小孔逐点信号采集测定方法由于硬件电路极其复杂，要求偏转扫描系统能够进行高速、高精度扫描，同时小孔加工困难，在进行较大束流能量密度测定时极易损毁，在后向通道的数据采集环节，要求速度极快。单缝或热丝法能量密度测定方法，由于数据采集仅有一个维度的信息，不能真实反应电子束能量的分布模式，另一维度的信息只能理想化为高斯分布，所测束流的能量分布与实际相差较大。
【发明内容】
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法及系统，与现有技术中的单缝和热丝法的能量密度测定方法不同，是多维度扫描，提取电子束流不同维度的信息，所采集的数据经过处理还原成能量分布图，测量精度较高，特别适合大功率电子束能量分布的测量。
[0007]本发明的目的之一是，提供一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法，包括:波形发生器接收指令信号，根据所述的指令信号输出波形，所述的指令信号中预先设定了波形的偏转速率以及维度；偏转装置根据所述的波形将被测电子装置输出的电子束进行偏转；屏蔽环屏蔽所述的电子束；所述屏蔽环的孔填充的能量吸收部件吸收所述的电子束；传感器感应通过环形沟槽的电子束，得到所述电子束的模拟电压信号，所述的环形沟槽设置在所述屏蔽环上且与屏蔽环为同心圆；数据采集器采集所述的模拟电压信号，得到离散电压信号，并将所述的离散电压信号发送至数据处理系统；所述的数据处理系统对所述的离散电压信号进行反演，得到所述电子束的三维重构图。
[0008]本发明的目的之一是，提供了一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定系统，包括前向偏转系统、数据采集系统以及数据处理系统，其中，所述的前向偏转系统具体包括:波形发生器，用于接收指令信号，根据所述的指令信号输出波形，所述的指令信号中预先设定了波形的偏转速率以及维度；偏转装置，用于接收所述的波形，根据所述的波形将被测电子装置输出的电子束进行偏转；所述的数据采集系统具体包括:屏蔽装置、传感器以及数据采集器，所述的屏蔽装置具体包括:屏蔽环，用于屏蔽所述的电子束；所述屏蔽环的孔填充能量吸收部件，用于吸收所述的电子束；所述的屏蔽环上还设有与屏蔽环为同心圆的环形沟槽；所述的传感器，用于感应通过所述环形沟槽的电子束，得到所述电子束的模拟电压信号；所述的数据采集器，用于采集所述的模拟电压信号，得到离散电压信号，并将所述的离散电压信号发送至所述的数据处理系统；所述的数据处理系统，用于对所述的离散电压信号进行反演，得到所述电子束的三维重构图。
[0009]本发明的有益效果在于，提供了一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法及系统，通过提取电子束流不同维度的信息，所采集的数据经过处理还原成能量分布图，为了提高电子束能量分布的测量精度，可增加扫描的维度，随着维度的不断提高，电子束能量分布的信息越多的被提取出来，测量精度较高，由于传感器为环缝，束流停留时间短，因此该方案特别适合大功率电子束能量分布的测量，实现了对大功率电子束束流及其他带电粒子的能量分布进行高精度测定。
[0010]为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012]图1为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法的实施方式一的流程图；
[0013]图2为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法的实施方式二的流程图；
[0014]图3为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法的实施方式三的流程图；
[0015]图4为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度测定系统的结构框图；
[0016]图5为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度测定系统中数据处理系统的结构框图；
[0017]图6为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度测定系统中前向偏转系统的结构框图；
[0018]图7为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定系统中偏转装置的实施方式一的示意图；
[0019]图8为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定系统中偏转装置的实施方式二的示意图；
[0020]图9为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定系统中数据采集系统的结构框图；
[0021]图10为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定系统中屏蔽装置的示意图；
[0022]图11为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定系统的不意图；
[0023]图12为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定系统中扫描波形示意图；
[0024]图13为本发明提供的具体实施例中的电子束三维重构后的电子束能量密度分布图；
[0025]图14为本发明提供的具体实施例中的电子束三维重构后的电子束能量密度空间分布图。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0027]本发明借鉴了单缝和热丝法的能量密度测定方法，发展为多维度扫描，提取电子束流不同维度的信息，所采集的数据经过处理还原成能量分布图。为了提高所获能量分布模式的精度，可增加扫描的维度。随着维度的不断提高，最终采集精度接近或超过小孔法，且能对大功率束流进行能量分布采集。
[0028]图4为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度测定系统的结构框图，由图4可知，该系统具体包括前向偏转系统100、数据采集系统200以及数据处理系统300，
[0029]其中，所述的前向偏转系统100具体包括:
[0030]波形发生器101，用于接收指令信号，根据所述的指令信号输出波形，所述的指令信号中预先设定了波形的偏转速率以及维度。此处的指令信息可由数据处理系统300生成。本发明中的波形的维度可为诸如3至30。
[0031 ] 偏转装置102，用于接收所述的波形，根据所述的波形将被测电子装置输出的电子束进行偏转。被测电子装置在实际应用中，诸如可为电子束焊接、电子束熔炼设备等可以输出电子束的装置。本发明的提供的技术方案还可以测定阳离子等带电粒子的能量密度。在具体的实施方式中，所述的偏转装置为平行板或互相垂直的偏转线圈。如图7所示，为本发明实施例提供偏转装置的实施方式一的示意图，在实施方式一中，偏转装置为两组垂直布置的平行板，在这两组平行板上根据扫描图样加上电压，进而在板间形成电场，当由电子枪发射的电子束入射入板间电场中，电子束受电场的作用发生偏转，板间电场的变化是根据能量密度测试所需波形变化的，最终在信号采集处获得所需的波形。
[0032]图8为本发明实施例提供的偏转装置的实施方式二的示意图，在实施方式二中，偏转装置为互相垂直的两组偏转线圈，线圈根据所需波形施加电流，形成偏转所需的磁场。当由电子枪发射的电子束进入偏转线圈形成的磁场后，电子受到洛伦兹力的作用发生偏转，最终在信号采集处获得所需的波形，以满足信号采集系统的需求。
[0033]所述的数据采集系统200具体包括:屏蔽装置201、传感器202以及数据采集器203,
[0034]图10为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定系统中屏蔽装置的示意图，由图10可知，所述的屏蔽装置201具体包括:屏蔽环2011，用于屏蔽所述的电子束；所述屏蔽环2011的孔填充能量吸收部件2012，用于吸收所述的电子束；所述的屏蔽环上还设有与屏蔽环2011为同心圆的环形沟槽2013。本发明中关键技术点是多维屏蔽板的结构，直接影响到电子束能量密度的测定精度。因此，图10中的环状沟槽2013的缝隙宽度约为0.05mm，所述屏蔽环2011可为由难熔金属钨制成，所述的能量吸收部件由水冷铜靶制成。
[0035]图12为本发明实施例中扫描波形示意图，扫描波形为放射扫描波形，维度任意。维度越多所测量的能量分布密度越精确。经过计算维度超过18后，测量精度将超过小孔法(0.05mm)的测量精度。图12中，I为多位测量沟槽，2为扫描电子束的路径。
[0036]所述的数据采集系统200还包括:传感器202，用于感应通过所述环形沟槽的电子束，得到所述电子束的模拟电压信号；
[0037]所述的数据采集器203，用于采集所述的模拟电压信号，得到离散电压信号，并将所述的离散电压信号发送至所述的数据处理系统300 ；
[0038]所述的数据处理系统300，用于对所述的离散电压信号进行反演，得到所述电子束的三维重构图。
[0039]即，本发明主要包括三部分，第一部分是前向偏转系统，该系统可发生任意维度的扫描波形，是电子束以不同的方向扫过屏蔽装置上的沟槽；第二部分是数据采集系统，采集通过沟槽被传感器接收到的电信号，并将数据提供给数据处理系统；第三部分是数据处理系统，依据边缘积分进行反演，不同的扫描维度进行坐标变换到同一坐标系中去，进行三维重构处理，最终生成三维分布图。
[0040]图5为本发明实施例提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度测定系统中数据处理系统的结构框图，由图5可知，数据处理系统具体包括:
[0041]指令采集装置301，用于采集用户输入的指令。在测定前，可根据具体的使用需求设定波形的偏转速率以及维度。
[0042]指令信息输出装置302，用于根据所述的指令生成指令信息，并将所述的指令信息发送到所述的前向偏转系统。
[0043]多项式拟合装置303，用于对所述的离散电压信号进行多项式拟合，得到边沿积分函数。当维度为I时，边缘积分函数的表达式如公式(I)所示；
[0044]F(x, V-) = j /(.v,.r)夺(I)
[0045]微分装置304，用于对所述的边沿积分函数进行微分，得到电子束能量分布函数，即诸如当维度为I时，电子束能量分布函数为f U，y)。
[0046]由于单一维度无法有效的反应电子束的能量空间分布，必须进行其他维度的测试，这样获得很多的分布函数，f (x)o>f (x)i>f (χ)2......f(X)N。[0047]三维重构装置305，用于根据所述的电子束能量分布函数进行三维重构，得到所述电子束的三维重构图。取得电子束能量分布函数后，由于所获得的分布函数所对应的坐标系不同，相邻的旋转了§，必须进行坐标变化才能进行三维重构。根据所选择的维度进行
数据变换。即按照如下公式(2)、(3)进行变换:.
【权利要求】
1.一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定系统，其特征是，所述的系统包括前向偏转系统、数据采集系统以及数据处理系统， 其中，所述的前向偏转系统具体包括: 波形发生器，用于接收指令信号，根据所述的指令信号输出波形，所述的指令信号中预先设定了波形的偏转速率以及维度； 偏转装置，用于接收所述的波形，根据所述的波形将被测电子装置输出的电子束进行偏转； 所述的数据采集系统具体包括:屏蔽装置、传感器以及数据采集器， 所述的屏蔽装置具体包括:屏蔽环，用于屏蔽所述的电子束；所述屏蔽环的孔填充能量吸收部件，用于吸收所述的电子束；所述的屏蔽环上还设有与屏蔽环为同心圆的环形沟槽； 所述的传感器，用于感应通过所述环形沟槽的电子束，得到所述电子束的模拟电压信号; 所述的数据采集器，用于采集所述的模拟电压信号，得到离散电压信号，并将所述的离散电压信号发送至所述的数据处理系统； 所述的数据处理系统，用于对所述的离散电压信号进行反演，得到所述电子束的三维重构图。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的数据处理系统具体包括: 指令采集装置，用于采集用户输入的指令； 指令信息输出装置，用于根据所述的指令生成指令信息，并将所述的指令信息发送到所述的前向偏转系统。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的数据处理系统还包括: 多项式拟合装置，用于对所述的离散电压信号进行多项式拟合，得到边沿积分函数； 微分装置，用于对所述的边沿积分函数进行微分，得到电子束能量分布函数； 三维重构装置，用于根据所述的电子束能量分布函数进行三维重构，得到所述电子束的三维重构图。
4.根据权利要求1或3所述的系统，其特征是，所述的前向偏转系统还包括: 放大器，用于将所述波形发生器输出的波形的频率响应以及电流进行放大处理。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征是，所述的偏转装置为平行板或互相垂直的偏转线圈。
6.根据权利要求1或5所述的系统，其特征是，所述的数据采集系统还包括: 接地电阻，用于连接所述的传感器。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征是，所述的数据采集系统还包括: 放大器，用于将所述电子束的模拟电压信号进行放大处理。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征是，所述的屏蔽装置中: 所述的屏蔽环由钨制成； 所述的能量吸收部件由水冷铜靶制成。
9.一种基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法，其特征是，所述的测定方法应用于权利要求1所述的测定系统，所述的方法具体包括:波形发生器接收指令信号，根据所述的指令信号输出波形，所述的指令信号中预先设定了波形的偏转速率以及维度； 偏转装置根据所述的波形将被测电子装置输出的电子束进行偏转；
屏蔽环屏蔽所述的电子束； 所述屏蔽环的孔填充的能量吸收部件吸收所述的电子束； 传感器感应通过环形沟槽的电子束，得到所述电子束的模拟电压信号，所述的环形沟槽设置在所述屏蔽环上且与屏蔽环为同心圆； 数据采集器采集所述的模拟电压信号，得到离散电压信号，并将所述的离散电压信号发送至数据处理系统； 所述的数据处理系统对所述的离散电压信号进行反演，得到所述电子束的三维重构图。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征是，所述的方法还包括: 所述的数据处理系统采集用户输入的指令； 所述的数据处理系统根据所述的指令生成指令信息； 所述的数据处理系统将所述的指令信息发送到所述的波形发生器。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征是，所述的数据处理系统对所述的离散电压信号进行反演，得到所述电子束的三维重构图具体包括: 所述的数据处理系统对所述的离散电压信号进行多项式拟合，得到边沿积分函数；所述的数据处理系统对所述的边沿积分函数进行微分，得到电子束能量分布函数；所述的数据处理系统根据所述的电子束能量分布函数进行三维重构，得到所述电子束的三维重构图。
12.根据权利要求9或11所述的方法，其特征是，所述的方法还包括: 放大器将所述波形发生器输出的波形的频率响应以及电流进行放大处理。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征是，所述的偏转装置为平行板或互相垂直的偏转线圈。
14.根据权利要求9或13所述的方法，其特征是，所述的方法还包括: 将所述的传感器通过接地电阻接地，所述的接地电阻与所述的传感器连接。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征是，所述的方法还包括: 放大器将所述电子束的模拟电压信号进行放大处理。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征是，所述的屏蔽装置中: 所述的屏蔽环由钨制成； 所述的能量吸收部件由水冷铜靶制成。
【文档编号】G01T1/29GK103605147SQ201310597137
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】郭光耀, 李晋炜, 韩瑞清, 陆幼青 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所