Automated Measurement of the Spatial Current Density Distribution of Process Electron Beams
Abstract
The importance of developing an automated technique for measuring spatial current density distributions of process electron beams is shown. It has been proven that immediate methods based on directly measuring the electron beam current components are of the main interest for constructing monitoring and control systems in electron beam-based process installations, because it is only these methods that can provide reliable information about the spatial distribution of current density. Experimental investigations of spatial current density distributions for electron beams with power capacities up to 6 kW have been carried out. The distributions obtained by the probe method are analyzed, and their deviations from the normal distribution function and axial symmetry are revealed. The limitations of the probe method based on the heat flux density and beam power are determined, and an express method for measuring the current density radial distribution over the electron beam cross section is proposed, which is based on using the direct edge method and on numerically processing the time dependences of the current. A scheme for quantifying the radial distribution of the electron beam current density is given. The possibility of applying the proposed technique for measuring the characteristics of beams with a power density up to 1.8∙104 W/cm2 using a copper collector has been experimentally confirmed. It is shown that the developed technique is necessary for mathematically reconstructing the current density volume distribution using the basic principles of electronic optics.
References
2. Gockel J., Beuth J., Taminger K. Integrated Control of Solidification Microstructure and Melt Pool Dimensions in Electron Beam Wire Feed Additive Manufacturing of Ti-6Al-4V // Additive Manufacturing. 2014. V. 1 — 4. Pp. 119—126.
3. Гуденко А.В., Драгунов В.К., Слива А.П. Методика определения режимов послойной электронно- лучевой наплавки проволоки для аддитивных технологий // Вестник МЭИ. 2017. № 5. С. 8—14.
4. Meissner C. Standardizing the Art of Electron Beam Welding // Sci. and Technol. Rev. 2008. No. 3.
5. Смалюк В.В. Диагностика пучков заряженных частиц в ускорителях. Новосибирск: Параллель, 2009.
6. Логачев П.В. и др. Методы неразрушающей диагностики пучков заряженных частиц в ускорителях // Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2016. Т. 47. Вып. 2. С. 443—500.
7. Зуев И.В., Углов А.А. Об измерении диаметра электронного луча методом вращающегося зонда // Физика и химия обработки материалов. 1967. № 5. С. 110—112.
8. Рыкалин Н.Н, Зуев И.В., Углов А.А. Основы электронно-лучевой обработки материалов. М.: Машиностроение, 1978.
9. Акопьянц К.С., Назаренко О.К., Гумовский В.В., Чернякин В.П. Система диагностики электронного луча в установках для электронно-лучевой сварки // Автоматическая сварка. 2002. № 10. С. 30—33.
10. Palmer T.A., Elmer J.W. Characterization of Electron Beams in Multiple Welders Using the Enhanced Modified Faraday Cup // Proc. Intern. Institute of Welding Conf. Quebec City (Canada), 2006. Pp. 1—37.
11. А.с. № 295215 СССР. Способ определения распределения плотности пространственного заряда в потоках заряженных частиц / Г.М. Герштейн, М.Г. Медокс // Бюл. изобрет. 1971. № 7.
12. Шарафутдинов А.Ф. Диагностика электронных пучков низких энергий по переходному излучению: автореф. ... канд. физ.-мат. наук. Томск, 2004.
13. Л КАРД [Офиц. сайт] http://www.lcard.ru/download/e14_140_users_guide.pdf (дата обращения 13.05.2017).
14. Голубков М.П., Кабанов А.Н. О пределах измерений диаметра электронного зонда // Труды МИЭМ. 1974. Вып. 35. С. 4—12.
15. Терещенко С.А. Методы вычислительной томографии. М.: Физматлит, 2004.
---
Для цитирования: Кожеченко А.С., Щербаков А.В., Родякина Р.В., Гапонова Д.А. Методика автоматизированного измерения пространственных распределений плотности тока технологических электронных пучков // Вестник МЭИ. 2018. № 2. С. 72—79.
DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-72-79.
#
1. Steigerwald K.H. e. a. An International History of Electron Beam Welding. Pro-Beam AG&Co, 2007.
2. Gockel J., Beuth J., Taminger K. Integrated Control of Solidification Microstructure and Melt Pool Dimensions in Electron Beam Wire Feed Additive Manufacturing of Ti-6Al-4V // Additive Manufacturing. 2014. V. 1 — 4. Pp. 119—126.
3. Gudenko A.V., Dragunov V.K., Sliva A.P. Metodika Opredeleniya Rezhimov Posloynoy Elektronno-luchevoy Naplavki Provoloki dlya Additivnykh Tekhnologiy. Vestnik MPEI. 2017;5:8—14. (in Russian).
4. Meissner C. Standardizing the Art of Electron Beam Welding. Sci. and Technol. Rev. 2008;3.
5. Smalyuk V.V. Diagnostika Puchkov Zaryazhennykh Chastits v Uskoritelyakh. Novosibirsk: Parallel', 2009. (in Russian).
6. Logachev P.V. i dr. Metody Nerazrushayushchey Diagnostiki Puchkov Zaryazhennykh Chastits v Uskori- telyakh. Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnogo Yadra. 2016;47;2:443—500. (in Russian).
7. ZuevI.V., UglovA.A. Ob Izmerenii Diametra Elektronnogo Lucha Metodom Vrashchayushchegosya Zonda. Fizika i Khimiya Obrabotki Materialov. 1967;5:110—112. (in Russian).
8. Rykalin N.N, Zuev I.V., Uglov A.A. Osnovy Elektronno-luchevoy Obrabotki Materialov. M.: Mashinostroenie, 1978. (in Russian).
9. Akop'yants K.S., Nazarenko O.K., Gumovskiy V.V., Chernyakin V.P. Sistema Diagnostiki Elektronnogo Lucha v Ustanovkakh dlya Elektronno-luchevoy Svarki. Avtomaticheskaya Svarka. 2002;10:30—33. (in Russian).
10. Palmer T.A., Elmer J.W. Characterization of Electron Beams in Multiple Welders Using the Enhanced Modified Faraday Cup. Proc. Intern. Institute of Welding Conf. Quebec City (Canada), 2006:1—37.
11. A.s. 295215 SSSR. Sposob Opredeleniya Raspredeleniya Plotnosti Prostranstvennogo Zaryada v Poto- kakh Zaryazhennykh Chastits / G.M. Gershteyn, M.G. Medoks. Byul. Izobret. 1971;7. (in Russian).
12. Sharafutdinov A.F. Diagnostika Elektronnykh Puchkov Nizkikh Energiy po Perekhodnomu Izlucheniyu: Avtoref. ... Kand. Fiz.-mat. Nauk. Tomsk, 2004. (in Russian).
13. L KARD [Ofits. Sayt] http://www.lcard.ru/download/e14_140_users_guide.pdf (Data Obrashcheniya 13.05.2017). (in Russian).
14. Golubkov M.P., Kabanov A.N. O Predelakh Izmereniy Diametra Elektronnogo Zonda. Trudy MIEM. 1974;35:4—12. (in Russian).
15. Tereshchenko S.A. Metody Vychislitel'noy Tomografii. M.: Fizmatlit, 2004. (in Russian).
---
For citation: Kozhechenko А.S., Shcherbakov А.V., Rodyakina R.V., Gaponova D.А. Automated Measurement of the Spatial Current Density Distribution of Process Electron Beams. MPEI Vestnik. 2018;2:72—79. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-72-79.
