基于边缘积分的多维电子束能量密度的测定方法及系统

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。

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

附图说明

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。

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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；

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 示意图；

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；

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；

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

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。

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。

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，

其中，所述的前向偏转系统100具体包括：

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。

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。

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。

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，

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。

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，1为多位测量沟槽，2为扫描电子束的路径。

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；

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；

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。

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。

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：

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。

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。

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1时，边缘积分函数的表达式如公式（1）所示；

$F(x,y)={\int }_{-\infty }^{+\infty }f(x,y)\mathrm{dy}---\left(1\right)$

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1时，电子束能量分布函数为f(x,y)。

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)₀、f(x)₁、f(x)₂......f(x)_N。

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：

$x=x^{\prime }\cos \frac{\mathrm{n\pi }}{N}-y^{\prime }\sin \frac{\mathrm{n\pi }}{N}---\left(2\right)$

$y=x^{\prime }\sin \frac{\mathrm{n\pi }}{N}+y^{\prime }\cos \frac{\mathrm{n\pi }}{N}---\left(3\right)$

其中，N为扫描的维度，n为扫描的维度次序号。

经过数据变换后，可将能量密度进行加权叠加处理，进而进行三维重构，生成分布密 度图。如图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，图中1为上焦、2为焦点、3为下焦，图中测量了电子束的不同截面的能量分布，并 以云图的方式进行了显示，便于关于直观的观察。通过测量不同横截面的能量密度分层采 集，最终可获得束流的空间分布信息。如图14为本发明提供的具体实施例中的电子束三 维重构后的另一种电子束能量密度分布图。由图14可见电子束的能量分布形式，可以十 分直观的看出电子束的能量分布状况，进而判断是否合适焊接或其他的加工。

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，由图6可知，前向偏转装置在具体的实施方式中，除了波形发生器 101、偏转装置102外还包括：

放大器103，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。

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，由图9可知，数据采集系统出了屏蔽装置201、传感器202、数 据采集器203之外，还包括：

接地电阻204，用于连接所述的传感器，将所述的传感器通过接地电阻接地；

放大器205，用于将所述电子束的模拟电压信号进行放大处理。

因此，本发明提供的上述系统的进步点主要在于采集通过沟槽被传感器接收的电子 束；其次利用边缘积分的规律进行能量分布的三维重构。从而使电子束能量密度测量结果 精确可靠，测量系统结构简单，易于实现，可以利用电子枪内原有的扫描偏转系统，适于 测量大功率信号。

该方案的测量精度主要决定于，设定的扫描维度和系统的数据采集速度。而对于本系 统电子束的扫描维度可以无限大，该系统的能量分布测量精度进取决于数据采集速率。而 其他种类的能量测试系统主要取决于传感器的尺寸，其次取决于数据采集速率。如小孔法， 孔的直径直接决定能量分布的精度，故在测量大功率电子束流时极易堵塞和烧蚀，通常用 来测量小功率电子束流的能量分布。

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，由图1可知，该方法具体包括：

S101：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，本发明中的波形的维度可为诸如3至30。

S102：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。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，偏转装置为垂直布置的两组平行板，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。

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。

S103：屏蔽环屏蔽所述的电子束，所述屏蔽环2011可为由难熔金属钨制成。

S104：所述屏蔽环的孔填充的能量吸收部件吸收所述的电子束，所述的能量吸收部件 由水冷铜靶制成。

S105：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。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。

S106：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；

S107：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。

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，由图2可知，在实施方式二中，步骤S204至步骤S210与实施方式一 中的步骤S101至S107相同，此外该方法还包括：

S201：所述的数据处理系统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。

S202：所述的数据处理系统根据所述的指令生成指令信息；

S203：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。

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，由图3可知，在实施方式三中，步骤S301至步骤S309与实施方式二 中的步骤S201至S209相同，步骤S210具体包括：

S310：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。当维度为1时，边缘积分函数的表达式如公式（1）所示；

$F(x,y)={\int }_{-\infty }^{+\infty }f(x,y)\mathrm{dy}---\left(1\right)$

S311：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，即诸如当维度为1时，电子束能量分布函数为f(x,y)。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)₀、f(x)₁、 f(x)2......f(x)_N。

S312：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。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：

$x=x^{\prime }\cos \frac{\mathrm{n\pi }}{N}-y^{\prime }\sin \frac{\mathrm{n\pi }}{N}---\left(2\right)$

$y=x^{\prime }\sin \frac{\mathrm{n\pi }}{N}+y^{\prime }\cos \frac{\mathrm{n\pi }}{N}---\left(3\right)$

其中，N为扫描的维度，n为扫描的维度次序号。

对采集到的波形信号进行多项式拟合，所获函数为能量分布函数对扫描垂直方向的边 缘积分。对不同维度的多项式拟合函数根据式2和式3进行坐标变换。根据变换结果进行 三维重构，最终获得电子束的能量分布图。

如图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， 图中可见上焦、焦点以及下焦，图中测量了电子束的不同截面的能量分布，并以云图的方 式进行了显示，便于关于直观的观察。通过测量不同横截面的能量密度分层采集，最终可 获得束流的空间分布信息。如图14为本发明提供的具体实施例中的电子束三维重构后的 电子束能量密度另一种分布图。由图14可见电子束的能量分布形式，可以十分直观的看 出电子束的能量分布状况，进而判断是否合适焊接或其他的加工。

本发明提供的一种基于边缘积分的多维电子束能量密度测定还包括：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。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。放大器将所述电子束的模拟电压信号进行放大 处理。

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 示意图，由图11可知，在具体的实施方式中，数据处理系统通过计算机来实现，偏转装置 通过高速偏转线圈来实现，传感器为电信号传感器。通常，电子束焊接设备均具有高速小 幅度偏转扫描系统，本发明将利用电子枪原有偏转扫描系统，仅需专用波形发生系统即可。 同时设计高速数据采集器和电子束采集装置，采集装置主要由环形采集沟槽和电信号传感 器构成。所采集到的多维能量密度分布数据经过计算机根据边缘积分求解，并进行加权叠 加，三维重构后，获得电子束能量密度分布，进而生成分布图，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。

综上所述，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，具有不同于传统逐点采集的测量原理，其测量精度主要依赖于单缝数据采集维度。该 测量方法将传统的依赖于复杂硬件电路精度的测量方法变革为利用简单的硬件获取束流 信号，进行复杂的软件数据变换，还原出束流分布模式的测量方法。该方法具有测试精度 高，适于测试大功率电子束束流品质的特点。

目前，对电子束束流品质的研究正在向纵深方向发展，必须对束流品质进行测试已验 证研究成果。该发明的提出，为各种功率电子束束流品质的测试提供了一种简单有效的方 法。当前，主流的测试装置为diabeam能量密度测试仪，价格昂贵（约10万欧元）。本发 明可开发为专用仪器，替代国外仪器。并提供给各研究机构使用，同时该发明也可以外延 到其他带电粒子的测试。

同时，该装置由于硬件结构简单可以作为电子束加工设备的附属部件，提供给用户用 以校准电子束的能量分布，减少设备束流品质调整对操作人员经验的严重依赖，进而提高 设备的易用性及设备的品质。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图 和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程 和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指 令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生 一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现 在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方 式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装 置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方 框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机 或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他 可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方 框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说 明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依 据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内 容不应理解为对本发明的限制。