本發(fā)明屬于電子束的測量領域，具體涉及一種電子束掃描軌跡的精確測量方法。

背景技術：

在電子束加熱金屬熔煉或蒸發(fā)過程中，電子槍發(fā)射的電子在加速電場的作用下，形成高速電子束流，高能電子束對物料表面進行轟擊，電子束動能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)物料的加熱。在大功率電子槍應用中，若電子束功率密度過高，容易出現(xiàn)局部溫度過高，導致物料大量蒸發(fā)或局部穿孔等不良后果，故需要采用掃描電子束，降低電子束功率密度。實現(xiàn)電子束掃描的關鍵在于對電子束進行精確控制。電子束掃描方式采用兩組磁感應線圈進行控制，一組對x軸向掃描進行控制，一組對y軸向掃描進行控制，線圈中通入電流，所產(chǎn)生的磁場使電子束發(fā)生位移，其電流大小直接決定位移量，同時位移量還與裝置的結構尺寸有關系。建立掃描電流幅值與位移量的關系，設計出一種合適的電子束掃描軌跡測量方法對電子束的精確控制極其重要。

以前電子束掃描軌跡通常采用x射線小孔成像法及照相法進行測量。x射線小孔成像法是利用小孔成像原理，電子槍轟擊過程中產(chǎn)生的x射線在硫氧化釓感光片上感光成像，通過測量感光片上的圖像尺寸，以及x射線小孔成像過程中光路間幾何尺寸關系反推電子束的掃描軌跡。但在成像過程中，雜散的x射線也會在感光片上成像，對測量結果造成偏差，導致測量精度不高，且測量裝置較復雜。照相法測量需要與參考標尺進行對比，但在成像過程中，由于電子束掃描范圍溫度高，亮度相應較大，而參考標尺所在位置則溫度低，相應亮度也較差，導致成像清晰度較差，影響讀數(shù)的準確性，對測量結果帶來偏差，測量精準度較低。

因此，迫切需要設計一種方法簡單、測量精準度高的電子束掃描軌跡測量方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術中存在的電子束掃描軌跡測量方法較復雜，測量精準度不高的缺點而提出的，其目的是提供一種電子束掃描軌跡的精確測量方法。

本發(fā)明的技術方案是：

一種電子束掃描軌跡的精確測量方法，包括以下步驟：

（ⅰ）靶材的制備

選取熔點在600～1000℃之間的金屬材料作為靶材原料，將靶材原料裝入坩堝，放入真空裝置抽真空，當真空度優(yōu)于10^-3帕，開啟電子槍轟擊靶材，待靶材原料充分熔融，上表面為液態(tài)金屬平面后停止加熱，讓其冷卻凝固為金屬錠；

（ⅱ）電子束掃描軌跡測量

將步驟（?。┧玫慕饘馘V作為電子束掃描軌跡測量用靶材，當真空度優(yōu)于10^-3帕，開啟電子槍電源，且開啟x軸向或y軸向的電子束掃描控制裝置，在掃描電流幅值允許的范圍內(nèi)，任意設定x軸向或y軸向掃描電流幅值；掃描參數(shù)設定完畢后，開啟電子槍，轟擊靶材，保持電子槍線功率密度在0.5～1kw/cm之間；電子束加熱持續(xù)2分鐘以上直至靶材表面留下清晰的印跡，然后停止加熱；

采用上述方法，在x軸向及y軸向分別測試不少于4個掃描電流幅值相對應的掃描印跡長度；

（ⅲ）測量軌跡長度，建立數(shù)學關系

待步驟（ⅱ）所用靶材金屬錠冷卻后，對真空容器曝空，采用游標卡尺直接測量金屬錠表面掃描軌跡的長度，并與掃描電流幅值一一對應；按電子束掃描控制原理，掃描電流幅值及掃描長度之間為線性關系，通過測量測得直線斜率及截距，從而建立起掃描軌跡長度與掃描電流幅值之間的數(shù)學關系式；

（ⅳ）應用驗證

根據(jù)步驟（ⅲ）建立的數(shù)學關系，確定給定二維平面上任意一點(x,y)所對應的電流幅值(ix,iy)，即可實現(xiàn)電子束在二維平面任意位置的掃描；設定掃描軌跡，開啟電子槍在靶材表面進行掃描，電子槍加熱過程中保持線功率密度在0.5～1kw/cm之間，持續(xù)1分鐘以上直至靶材表面留下清晰的印跡，然后停止加熱；采用游標卡尺測定設定值和實際值之間的偏差，評價方法的精準度。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明通過對電子束掃描軌跡x軸向、y軸向的分別測定，實現(xiàn)了二維平面任意掃描形狀的精確控制，所提供的電子束掃描軌跡直接測量法，測量方法及測量工具簡單實用，且測量精準度高，測量相對偏差小于2%。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1中x軸向掃描長度與電流幅值關系圖；

圖2是本發(fā)明實施例1中y軸向掃描長度與電流幅值關系圖；

圖3是本發(fā)明實施例1中應用驗證步驟中直徑50mm圓的電子束掃描軌跡圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖及實施例對本發(fā)明電子束掃描軌跡的精確測量方法進行詳細說明：

一種電子束掃描軌跡的精確測量方法，包括以下步驟：

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選取熔點在600～1000℃之間的金屬材料作為靶材原料，將靶材原料裝入坩堝，放入真空裝置抽真空，當真空度優(yōu)于10^-3帕，開啟電子槍轟擊靶材，待靶材原料充分熔融，上表面為液態(tài)金屬平面后停止加熱，讓其冷卻凝固為金屬錠；

靶材原料的選擇：選取熔點在600～1000℃之間的金屬材料作為靶材原料較為合適。金屬靶材原料熔點過低，在電子束輕微的轟擊下極易出現(xiàn)液態(tài)金屬熔池，不利于形成清晰的掃描痕跡，而靶材原料熔點過高則需要較大的電子束功率轟擊才能熔化，表明不易形成光滑的平面，同樣不利于形成清晰的掃描痕跡。

（ⅱ）電子束掃描軌跡測量

將步驟（?。┧玫慕饘馘V作為電子束掃描軌跡測量用靶材，當真空度優(yōu)于10^-3帕，開啟電子槍電源，且開啟x軸向或y軸向的電子束掃描控制裝置，在掃描電流幅值允許的范圍內(nèi)，任意設定x軸向或y軸向掃描電流幅值；掃描參數(shù)設定完畢后，開啟電子槍，轟擊靶材，保持電子槍線功率密度在0.5～1kw/cm之間；保持此功率密度既可以讓電子束直接掃描區(qū)域的靶材充分熔化，而又不至于形成熔池影響測量精度；電子束加熱持續(xù)2分鐘以上直至靶材表面留下清晰的印跡，然后停止加熱；

采用上述方法，在x軸向及y軸向分別測試不少于4個掃描電流幅值相對應的掃描印跡長度；測量的點越多，測量的準確性也會相應提高。

（ⅲ）測量軌跡長度，建立數(shù)學關系

待步驟（ⅱ）所用靶材金屬錠冷卻后，對真空容器曝空，采用游標卡尺直接測量金屬錠表面掃描軌跡的長度，并與掃描電流幅值一一對應；按電子束掃描控制原理，掃描電流幅值及掃描長度之間為線性關系，通過測量測得直線斜率及截距，從而建立起掃描軌跡長度與掃描電流幅值之間的數(shù)學關系式y(tǒng)=ax+b；

（ⅳ）應用驗證

根據(jù)步驟（ⅲ）建立的數(shù)學關系，確定給定二維平面上任意一點(x,y)所對應的電流幅值(ix,iy)，即可實現(xiàn)電子束在二維平面任意位置的掃描；設定掃描軌跡，開啟電子槍在靶材表面進行掃描，電子槍加熱過程中保持線功率密度在0.5～1kw/cm之間，持續(xù)1分鐘以上直至靶材表面留下清晰的印跡，然后停止加熱；采用游標卡尺測定設定值和實際值之間的偏差，評價方法的精準度。

實施例1

如圖1~3所示，

一種電子束掃描軌跡的精確測量方法，包括以下步驟：

（ⅰ）靶材的處理

選取雜質(zhì)含量小于0.5wt%，熔點為798℃的金屬鈰作為靶材原料，金屬鈰熔點高低較為合理，有利于電子束加熱過程中充分熔融，同時也有利于形成清晰的掃描痕跡；

將金屬鈰裝入水冷銅坩堝，對真空裝置抽真空，當真空度優(yōu)于10^-3帕，開啟電子槍轟擊靶材，保持電子槍功率密度大于4kw/cm²，時間大于10分鐘，待金屬鈰充分熔融，上表面為液態(tài)金屬平面后停止加熱，關閉電子槍，但保持高真空及水冷系統(tǒng)，當冷卻時間大于15分鐘后，金屬鈰冷卻凝固形成靶材金屬錠；

（ⅱ）電子束掃描軌跡測量

將步驟（?。┲薪饘兮嬂鋮s凝固形成的金屬錠作為電子束掃描軌跡測量用靶材，待金屬錠冷卻充分后，開啟電子槍x軸向掃描控制器，在掃描電流幅值允許的范圍內(nèi)，任意設定x軸向掃描電流幅值，本實施例中設定x軸向掃描電流幅值為20毫安，參數(shù)設定完畢后，開啟電子槍，轟擊靶材，保持電子槍線功率密度在0.5～1kw/cm之間，持續(xù)1分鐘直至靶材表面留下印跡，然后停止加熱。

重復上述步驟，分別設定x軸向掃描電流幅值為30、40、44.6、67毫安，y軸向掃描電流幅值為15.1、20、30.1、35、50毫安，測試各掃描電流幅值相對應的掃描印跡長度；

（ⅲ）測量軌跡長度，建立數(shù)學關系

待步驟（ⅱ）所用靶材金屬錠冷卻后，對真空裝置充氣曝空，采用游標卡尺直接測量金屬錠表面掃描軌跡的長度，并與掃描電流幅值一一對應；對測定的數(shù)值進行線性擬合，建立掃描軌跡長度及掃描電流幅值之間的數(shù)學關系；

圖1為x軸向掃描長度與電流幅值關系圖；圖2為y軸向掃描長度與電流幅值關系圖，其中的點為實際測量值，線為擬合直線；根據(jù)擬合公式可以分別建立x軸向、y軸向?qū)嶋H長度與掃描電流幅值的數(shù)學關系，x軸向關系式為：y=1.04039x-4.14848,y軸向關系式為：y=0.81495x+2.6188，關系式中x為掃描電流幅值，y為電子束掃描長度；

（ⅳ）應用驗證

根據(jù)步驟（ⅲ）建立的數(shù)學關系，可以給定二維平面上任意一點(x,y)所對應的掃描電流幅值(ix,iy)，即可實現(xiàn)電子束在二維平面任意位置的掃描；

為了驗證測量方法的精準度，本實施例中設定電子束掃描軌跡為直徑50毫米的圓，圖3為直徑50mm圓的電子束掃描軌跡圖，軌跡由圓周上50個均勻分布的點連接為一個整體。開啟電子槍進行掃描加熱，電子槍加熱過程中功率保持在10kw,線功率密度為0.64kw/cm，持續(xù)1分鐘以上,直至鈰錠表面留下清晰的印跡，然后停止加熱。待金屬鈰形成的金屬錠充分冷卻后，對真空容器曝空，采用游標卡尺測定電子束所掃描圓的直徑變化，圓直徑測量最大值為51mm,最小值為49mm,與設定值50mm偏差為±1mm,測量值與設定值相對偏差為±2%。結果表明，測量方法精準度高，運用該測量結果可以實現(xiàn)對電子束的精確控制。