Содержание к диссертации
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И
ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 12
1.1 Влияние параметров технологического процесса
электронно-лучевого испарения на качество покрытий 12
1.1.1 Получение покрытий методом
электронно-лучевого испарения 12
1.1.2 Влияние нестабильности параметров
распределения мощности электронного пучка
по поверхности испаряемого материала на качество покрытий 18
1.2 Анализ требований
к датчику распределения мощности электронного пучка
и системе автоматической стабилизации параметров распределения.... 24
1.3 Классификация известных методов измерения
распределения мощности электронного пучка 26
1.4 Методы измерения
распределения мощности электронного пучка 28
Метод проволочного зонда 28
Метод щелевого зонда 29
Метод тонкопленочного зонда 30
Метод матричной мишени 32
Метод прямого (кругового) среза.. 32
Метод рентгеновского излучения 34
Метод вторичной электронной эмиссии 35
1.5 Сравнение методов измерения
распределения мощности электронного пучка , 36
1.6 Формулировка задачи исследования 38
1.7 Выводы по главе 1 39
2 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКА
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА 41
2.1 Вторичноэмиссионный метод измерения
распределения мощности электронного пучка
по поверхности испаряемого материала 41
2.2 Математическая модель процесса формирования
выходного сигнала чувствительного элемента 44
2.3 Датчик распределения мощности электронного пучка 61
Чувствительный элемент датчика 61
Расчет выходного сигнала чувствительного элемента. 64
Расчет статических характеристик датчика
как элемента автоматики 67
Вычислитель параметров выходного сигнала чувствительного элемента датчика 69
Расчет погрешности датчика 74
Статические и динамические параметры датчика
как элемента автоматики 78
2.4 Выводы по главе 2 81
3 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА 83
Разработка структурных схем системы 83
Выбор способа технической реализации
цифрового вычислительного комплекса 86
Статические и динамические характеристики звеньев системы, входящих в электронно-лучевые установки для нанесения покрытий... 92
Разработка алгоритмов управления; 97
Разработка цифрового регулятора 101
Анализ контура стабилизации траектории развертки
в динамическом режиме 102
3.7 Анализ контура стабилизации фокусировки
в динамическом режиме 112
3.8 Выводы по главе 3 118
4 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МОЩНОСТИ
ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ
СТАБИЛИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ 120
4.1 Опытные образцы чувствительного элемента
и устройства сопряжения с объектом 120
4.2 Программное обеспечение
цифрового вычислительного комплекса 123
Оборудование и техника экспериментов 128
Результаты экспериментального исследования
датчика распределения мощности электронного пучка 133
4.5 Результаты экспериментального исследования
контура стабилизации траектории развертки
системы автоматической стабилизации
параметров распределения мощности электронного пучка 139
4.6 Выводы по главе 4 142
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 144
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 147
ПРИЛОЖЕНИЕ А Программа для расчета в среде
Mathcad 2000 Professional выходного сигнала чувствительного элемента
датчика распределения мощности электронного пучка 1
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт об использовании результатов диссертационной работы в технологическом процессе
нанесения металлических пленок на установке «Оратория-9» 1
ПРИЛОЖЕНИЕ В Справка об использовании в учебном процессе
результатов диссертационной работы 1
СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
АУСО — активное устройство сопряжения с объектом
АЦП — аналого-цифровой преобразователь
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
ВП - вычислитель параметров
ИПМ - измерительно-преобразовательный модуль
КИХ - конечная импульсная характеристика
ЛАЧХ - логарифмическая амплитудно-частотная характеристика
МИС - малая интегральная схема
ОУ - объект управления или операционный усилитель
ПБИС — программируемая большая интегральная схема
ПК - персональный компьютер
ПУСО - пассивное устройство сопряжения с объектом
САС — система автоматической стабилизации
СИС - средняя интегральная схема
ТП - технологический процесс
УВН - установка вакуумного напыления
УСО - устройство сопряжения с объектом
ФНЧ - фильтр низких частот
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь
ЦБК - цифровой вычислительный комплекс
ЧЭ - чувствительный элемент
ЭВМ - электронная вычислительная машина
ЭЛП - электронно-лучевая пушка
ЭЛС - электронно-лучевая сварка
ЭОС - электронно-оптическая система
ЭП - электронное пятно
ц - математическое ожидание
о - среднее квадратичное отклонение
Введение к работе
Одним из основных методов получения различных по своему назначению покрытий является метод электронно-лучевого испарения осаждаемого материала в вакууме [1 -7]. Технологический процесс данного метода непрерывно развивается в направлении повышения и обеспечения качества получаемых покрытий.
Большой вклад в развитие технологического процесса электроннолучевого нанесения покрытий внесли ученые следующих российских и иностранных организаций: Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, Московского государственного авиационного технологического университета им. К. Э. Циолковского, Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева, Международного центра электронно-лучевых технологий Института электросварки им. Е. О. Патона, НИКИ «Вакууммаш», Leybold-Vacuum, CIT ALKATEL, Balzers, General Electric и др., которыми получены ответы на многие вопросыt касающиеся повышения и обеспечения качества покрытий.
В ходе изучения технологического процесса электроннолучевого нанесения покрытий было выяснено, что на качество покрытий напрямую или косвенно влияет целый ряд параметров [8-10] (мощность электронного пучка, ее распределение по поверхности испаряемого материала, скорость испарения и др.), которые во время нанесения покрытий претерпевают нежелательные изменения, вызванные возмущающими воздействиями различной физической природы. Средством обеспечения качества покрытий является стабилизация этих параметров по всем возмущающим воздействиям [8 - 21]. Однако при высоком в целом уровне автоматизации технологического процесса на сегодняшний день в нем отсутствует стабилизация параметров распределения мощности электронного пучка по поверхности испаряемого материала. Настоящая диссертация посвящена устранению этого недостатка и
8 отражает результаты исследований, выполненных автором в период с 2001 по 2005 г.
Объектом исследования настоящей работы является технологический процесс нанесения покрытий методом электронно-лучевого испарения.
Предметом исследования являются методы измерения распределения мощности электронного пучка и средства построения систем автоматической стабилизации параметров распределения.
Цель работы - обеспечение качества покрытий, наносимых методом электронно-лучевого испарения, путем разработки аппаратно-программных средств для построения системы автоматической стабилизации параметров распределения мощности электронного пучка по поверхности испаряемого материала.
При выполнении работы использованы следующие методы исследования:
математический анализ;
аналитическая геометрия;
теория вероятности и математическая статистика;
численное интегрирование;
электронная оптика;
математическое моделирование;
теория систем автоматического регулирования;
теория фильтрации сигналов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлена зависимость между распределением мощности электронного пучка по поверхности испаряемого материала и вторичноэмисси-онным изображением поверхности, получаемым с помощью камеры-обскуры;
предложен метод измерения распределения мощности электронного пучка по поверхности испаряемого материала, основанный на сканировании вторичноэмиссионного изображения поверхности;
- разработана математическая модель датчика распределения мощно
сти электронного пучка.
В результате проведения исследований сформулированы основные научные положения, которые выносятся на защиту:
метод измерения распределения мощности электронного пучка по поверхности испаряемого материала, основанный на сканировании вторич-ноэмиссионного изображения поверхности;
математическая модель датчика распределения мощности электронного пучка, реализующего данный метод;
принципы построения датчика распределения мощности электронного пучка;
принципы построения системы автоматической стабилизации параметров распределения мощности электронного пучка.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработаны программные средства для моделирования датчика распределения мощности электронного пучка;
разработан и внедрен в производство датчик распределения мощности электронного пучка;
разработана и внедрена в производство система автоматической стабилизации параметров распределения мощности электронного пучка.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена корректно полученными данными теоретических расчетов и экспериментальных исследований датчика и системы автоматической стабилизации в целом с опытными образцами аппаратных средств.
Материалы диссертационной работы прошли апробацию в докладах на конференциях и симпозиумах:
«Вакуумные технологии и оборудование» (Харьков, 2001 г.);
«XXVII Гагаринские чтения», (Москва, 2001 г.);
«Аэрокосмические технологии и образование на рубеже веков», (Рыбинск, 2002 г.)
«Высокие технологии в промышленности России», (Москва, 2002 г., 2003 г.);
«Оборудование и технологии термической обработки металлов и сплавов», (Харьков, 2003 г.);
«Моделирование и обработка информации в технических системах», (Рыбинск, 2004 г.)
«XXIX конференция молодых ученых и студентов», (Рыбинск, 2005 г.)
«XXXI Гагаринские чтения», (Москва, 2005 г.);
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из которых 1 статья в центральном научно-техническом журнале, 5 статей и 6 тезисов в сборниках материалов конференций и симпозиумов.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений на 166 страницах, содержит 68 рисунков, 18 таблиц, список источников из 111 наименований.
В первой главе проведен анализ факторов, влияющих на качество покрытий, наносимых методом электронно-лучевого испарения, анализ современного уровня автоматизации технологического процесса электроннолучевого нанесения покрытий и анализ известных методов измерения распределения мощности электронного пучка, на основании которых сформулированы задачи исследования.
Во второй главе разрабатывается и исследуется вторичноэмиссион-ный метод измерения распределения мощности электронного пучка по поверхности испаряемого материала, рассматриваются вопросы построения математической модели соответствующего датчика, оценивается погрешность датчика, исследуются статические и динамические характеристики датчика как элемента системы автоматической стабилизации параметров распределения мощности электронного пучка.
В третьей главе выполняется анализ элементов построения современных систем управления, синтез системы автоматической стабилизации пара-
метров распределения мощности электронного пучка на базе персонального компьютера с архитектурой IBM PC и исследование ее в динамическом режиме.
В четвертой главе рассматриваются вопросы технической реализации и программного обеспечения датчика распределения мощности электронного пучка и системы автоматической стабилизации параметров распределения, приводятся результаты их экспериментального исследования.
В приложениях приведены листинг программы для моделирования датчика распределения мощности электронного пучка в среде Mathcad 2000 Professional и акты внедрения результатов диссертационной работы.
Диссертация выполнена на кафедре вычислительных систем Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева.
