电子束焊缝二次电子成像系统设计研究

摘要

随着电子束广泛地应用于高精度焊接,对电子束聚焦后斑点半径要求也越来越小,这给电子束焊缝的观察和对中提出了更高的要求。在给定焊接规范下,电子束斑点与焊缝中心的合适位置(对中)是取得高强度接头的关键性问题,直接影响着焊接质量的好坏。
　　目前通常采用光学观察系统进行电子束焊缝观察与对中,此类系统由于需对射线进行屏蔽、采用辅助光源和真空—大气密封过渡等原因,系统结构复杂、体积较大;更重要的是,光学观察镜头易发生偏动,经常被金属蒸汽蒸镀,给焊缝观察和对中带来了极大不便。本文通过对电子束轰击工件产生的背反射电子和二次电子进行分析和研究,根据产生的二次电子在工件几何表面及焊缝上有不同特性的原理,提出电子束焊缝二次电子成像系统,该系统采用稳定的电子束对工件表面进行扫描,同时采集产生的二次电子,通过对二次电子信号进行处理,在显像管上显示出工件表面和焊缝图像,能很好的解决以上各种问题。
　　电子束与工件相互作用是一系列复杂的弹性和非弹性散射物理过程,在这一过程中散射出背反射电子、二次电子等。通过对现有各种弹性和非弹性物理模型的对比和分析,选用 Mott弹性散射截面、Gryzinsky非弹性散射截面、Bethe能量损失模型,来构建二次电子发射的物理模型,用 Monte Carlo方法模拟了二次电子散射的过程,把模拟结果与现有的实验数据进行了对比分析,得出了二次电子能量在5 eV左右,二次电子发射系数在某一入射电子束能量下最大等基本规律数据;根据模拟数据预估了在较高能量的入射电子束下,金属二次电子的发射系数在0.1左右,甚至更低;此方法为电子束焊接中不同材料的工件的二次电子发射过程提供了一个有效的模拟手段。
　　通过对二次电子发射机理的深入研究,基于小束流扫描情况下二次电子的产生及其信号规律,提出了二次电子成像系统的电路设计方案,并阐述了系统工作原理。采用金属板做二次电子检测器,满足信号采集要求,又不会受金属蒸镀的影响;以D7609P集成电路为基础,设计了场、行同步扫描电路;根据电路需要,设计了低压电源电路,并分析了中、高压电源电路的原理;在讨论信号处理和成像理论的基础上,分析了前置放大电路和视频放大电路的要求和工作原理,并给出了电路原理图;根据实验需要,制作了信号放大电路的PCB板,电路和PCB板设计都采取了一些抗噪措施,提高了电路的抗干扰能力,文中对此做了详细介绍。
　　最后,介绍了前期试探性试验结果,对影响图像质量的几个因素进行了探讨,并提出了改进建议。文中的阶段性设计研究成果对电子束焊缝二次电子成像技术的深入研究和推广具有一定的借鉴和指导意义。

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第一章 绪论

§1.1 传统电子束焊接焊缝观察简述

§1.2 课题的提出及研究意义

§1.3 课题国内外研究现状及发展趋势

§1.4 课题研究的主要内容及创新

第二章 二次电子发射特性的模拟研究

§2.1 电子与工件相互作用机理与分类

§2.2 电子在工件中散射的物理模型

§2.3 二次电子发射过程模拟方法的确定

§2.4 模拟参数的计算

§2.5 模拟结果及讨论

§2.6 本章小结

第三章 二次电子成像系统电路方案设计及二次电子采集分析

§3.1 二次电子成像系统电路组成

§3.2 二次电子成像系统电路工作原理

§3.3 二次电子的采集分析

§3.4 金属板二次电子采集效率的分析计算

§3.5 本章小结

第四章 二次电子成像系统电路分析设计

§4.1 同步扫描控制电路分析设计

§4.2 电源电路的分析设计

§4.3 前置放大电路设计分析

§4.4 视频放大电路的分析设计

§4.5 PCB板设计中的防噪声措施

§4.6 本章小结

第五章 实验及分析

§5.1 实验

§5.2 影响焊缝图像质量因素的一些探讨

§5.3 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 总结

§6.2 创新点

§6.3 展望

参考文献

附录

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果