36. Автоматический контроль и управление температуры и скорости осаждения в вакуумной камере.

Рис.1 Рис.2

Рис.1: Внутри камеры 1 расположен резистивный испаритель 2, который обеспечивает необх. t испаряемого материала. Термопара 3 служит для определения t испарителя. (Принцип действия: спай 2-х ме, при нагревании создается термо ЭДС которая пропорциональна измеряемой температуре. Большой диапазон измерения температур). Заслонка 4 служит для прерывания потока осажд-го материала. Кварцевый датчик измеряет V осаждения. 6 – подложка на которую осажд-ся ме.

Рис 2: При достижении заданного давления включается контур I управления t-ой испарения, контур II осущ-ет упр-е V осаждения. При достижении заданной V заслонка 4 открывается и осущ-ся напыление. На вход регулятора 6 подается сигнал пропорц-ный t-ре испарителя, а на вход регулятора 7 – сигнал пропорц-ный V-ти осаждения. 3 - датчик t, 4 - датчик V. Управление с учетом заданных и действ-ых значений t и V осаждения осущ-ся контуром III с использ-ем своего вычисл. устройства.

I – контур управления температурой испарителя;

II – контур управления скоростью осаждения;

III – управляющая ЭВМ.

37. Автоматический контроль энергетического параметра.

Осн. параметром любой лазерной технологии является энергия и мощность, автоматический контроль и стабилизация этого параметра является первостепенной задачей. Системы стабилизации мощности лазерного излучения(л/и), построены:

1. на принципе регулирования при отклонении мощности от заданного значения,

2. на принципе компенсации возмущения (тока в газоразрядной камере, давления и состава смеси в газодинамическом тракте и т.д.),

3. комбинированные системы.

Блок схема системы стабилизации по отклонению мощности для твёрдых и газоразрядных лазеров показана на рисунке:

1. активный элемент,

2. датчик мощности;

3. элемент сравнения;

4. блок формирования

5. источник питания;

6. лампа накаливания.

Схема включает малоинерц. датчик мощности 2 (болометр), устройство сравнения 3 и блок формирования команд 4, который при возникновении разности мощности управляет током накачки лампы 6.

Т.о., мы имеем стандартную САР с жёсткой обратной связью, их применение обусловлено прежде всего высокой устойчивостью.

Аналогич. схемы регулирования применяются для стабилизации тока газоразрядного лазера, для регулирования давления рабочей смеси в газовом тракте лазера, управления временными хар-ми лазера, управления пространств положением луча лазера, управления интенсив-ю л/и (для их реализации необходимо иметь соотв. Опт. преобразователь, выдающий информацию о состоянии управляемого параметра).

38. Контроль пространственных параметров кпэ

Лазерное излучение – это вынужденное излучение атомов или молекул лазерного вещества при возбуждении его энергией накачки.

Пространственно временные параметры:1) Диаграмма направленность (угловое распределение);2) Диаметр пучка (поперечное сечение)3) Расходимость (плоский или телесный угол); 4) Энергетическая расходимость; 5) Частоты повторения импульсов;6) Длительность импульсов.

Измерение пространственных параметров ОКГ.

Наиболее простой способ - распределения плотности мощности или энергии в поперечном сечении пучка лазера состоит в том, что лазерное излучение направляют на засвечённую фотоплёнку, чёрную бумагу и наблюдают на них форму образованного пятна и следы горячих точек (областей повышенной интенсивности). Более точный метод является фотографирования пятна излучения, либо методы электроннооптического преобразования изображения (ЭОП).В ЭОП отраженные лучи фокусируются на фотокатод. Фотоэлектроны ускоряются высоким напряжением и вызывают свечение люминесцирующего слоя на экране ЭОП. Распределение интенсивности свечения на экране пропорционально распределению плотности мощности или энергии в поперечном сечении пучка лазера. Измерение расходимости лазерного излучения. Существует 3 метода измерения этого параметра: 1) Метод сечений наиболее простой и заключается в измерении диаметра пучка в 2-х сечениях. 2) Метод регистрации диаграммы направленности, этот метод предусматривает использования фотоэлемента: Перемещая фотоэлемент по дуге радиуса R, регистрируют угловое распределение интенсивности излучения. Метод трудоемкий и редко применяется. 3)Плоский фронт волны преобразуется идеальной линзой в сферический , сходящийся в фокусе, образуя пятно радиуса «а».

Методы измерения формы и длительности импульсов.

Для этого используют средства измерения, в которых осуществляется преобразование оптического сигнала в электрический сигнал с последующим исследованием его структуры. Структурная схема выглядит следующим образом: Оптическое устройство 1 (лазер или ответвитель) направляет луч на приёмник 2 (фотоэлектрический умножитель), далее сигнал с ФЭУ усиливается усилителем 3 и подается на электронно-лучевую трубку (осциллограф) 4 с системами развёртки изображения и синхронизации.

Кроме перечисленных основных параметров разработаны методы измерения и других пространственных и спектральных параметров лазеров.

39. Оптические измерительные преобразователи.

Первичные преобразователи лазерного луча.

Элементы, используемые для измерения параметров лазерного луча, изготавливаются на основе соединений элементов 1 группы периодичной системы с элементами 5 и 6 групп. Наибольшее распространение получили кислородно-серебряные-цезиевые, сурьмяно-цезивые. Эти вещества наносят в виде молекулярного слоя на металлическую или стеклянную пластину. Применяются следующие элементы: фоторезисторы, фотодиоды, фотоэлектрические генераторы. Принцип работы этих элементов основан на выделении определенного количества электронов пропорционально интенсивности излучения.

Фотокатоды выполняются из полупроводников на основе соединений элементы 1группы системы Менделеева и 5 группы.

Полупрозрачные фотокатоды обычно наносят на внутреннюю поверхность входного окна стеклянного баллона ФЭУ. Для изготовления динодов используют следующие материалы: сурьма-цезий, кислородно-серебряные-цезиевые, которые наносятся на подложку.

Болометр. Прибор для измерения энергии излучения, основанный на изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента при нагревании его вследствие поглощения измеряемого потока излучения. Болометр служит для измерения мощности интегрального (суммарного) излучения, а вместе со спектрометром для измерения спектрального состава излучения.

Термочувствительный элемент представляет собой тонкий (0.1-1 мкм) слой металла (никель, золото, висмут) на поверхность которого покрывается слоем черни, имеющий большой коэффициент поглощения в широкой области длин волн, или полупроводник с большим температурным коэффициентом сопротивления (0,04-0,06 с-1).

Размер и форма чувствительного элемента определяется природой источника света(радиации). Для спектральных измерений этот элемент обычно изготавливаются в виде 2-х одинаковых полосок. Излучение направляют на один элемент, а другой служит для компенсации изменений t окружающей среды и радиополях.

Болометр включают в электрическую мостовую схему, питаемую постоянным или переменным током. Под действием лазера t чувствительного элемента изменяется на некоторую величину дэльта, что приводит к изменению сопротивления болометра и разбалансу моста.

Металлические болометры работают без охлаждения. Их изготавливают из тонкой фольги, либо напылением металла в вакууме на тонкую плёнку или твёрдую подложку. Лучшие болометры изготавливают из никелевой фольги, имеющие сопротивление 5-10 Ом, чувствительность 7-10 В/Вт, ? 0,02 сек.

Напыленные болометры изготавливают из висмута, сурьмы и никеля, испарением в вакууме на тонкую диэлектрическую плёнку.

Полупроводниковые болометры так же применяют без охлаждения. Их изготавливают прессованием окислов никеля, марганца и кобальта, или испарением полупроводниковых материалов в вакууме, их параметры -сопротивление 1-10 МОм, чувствительность 50-1000 В/Вт , постоянная времени 1-5 м сек.

Весьма чувствительны сверхпроводящие болометры с чувствительным элементом в виде тонкой проволоки, которая находиться при температуре перехода в сверхпроводящее состояние и по которой проходит измерительный ток. Под действием излучения сопротивление проволоки частично восстанавливается, что приводит к падению напряжения.

Оловянистые болометры, напыленные на слюдяную подложку, работают при t=3,7 К, что соответствует середине интервала перехода олова из нормального в сверхпроводящее состоянии.

Фотометрия- измерение параметров излучения путем преобразования светового потока в поток электронов, получаемых в результате фотоэффекта- испускания электронов твёрдым телом.

Фотоэффект возникает у металлов в результате 3-х последовательных процессов:

1. Поглощения фотона и появления электрона с высокой энергией.

2. Движение этого электрона к поверхности, при котором часть энергии может рассеяться;

3. Выход электрона в другую среду через поверхность раздела.

Количественной характеристикой фотоэффекта является квантовый выход - число вылетевших электронов, приходящихся на 1 фотон излучения.

40) ФЭУ (фото электронный умножитель) - прибор в котором поток электронов, эмитируемый фотокатодом под действием лазерного луча усиливается в множительной системе в результате вторичной электронной эмиссии.

Наиболее распространение получили ФЭУ, в которых усиление электронного потока осуществляется при помощи системы дискретных динодов- электродов корытообразной, коробчатой или жалообразной формы с линейными или круговым расположением .

41.Бесконтактные методы измерения температуры

Существует ряд технологических процессов, когда применение контактных датчиков невозможно, в таких случаях применение пирометров - это единственно возможный способ контроля температуры. В случае, когда, например, необходимо замерить температуру от 1800 °С до 3000 °С, контактные средства измерения применить невозможно, но бесконтактные приборы решают эту задачу. Они позволяют замерить температуру при помощи излучения, без непосредственного контакта.

Пирометры

Пирометр  - это средство измерения температуры по тепловому излучению объекта, предназначенное для отображения значения температуры на индикаторе прибора или преобразования в аналоговый или цифровой сигнал. Пирометры способны измерять температуру круговой зоны, ограниченной полем зрения прибора и усредняют температуру в пределах данной зоны. Зона видимости пирометра зависит от расстояния до объекта и от оптического разрешения пирометра

оптические – определяют температуру разогретого тела визуально, без вспомогательных устройств, сравнивая его цвет с цветом нити эталона;

цветовые или мультиспектральные — определяют температуру методом сравнения теплового излучения тела в различных спектрах;

радиационные – используют пересчитанный показатель мощности теплового излучения для определения температур. Пирометры, производящие измерения в пределах широкой полосы спектральных излучений, называются пирометрами полного излучения.

42.Автоматизация управления лазерной обработки.

Лазер является сложной, чувствительной к отклонениям от расчётных режимов работы динамической системой. Наличие большого числа взаимосвязанных параметров, влияющих на характеристики ОКГ, а также высокие требования по точности поддержания параметров техпроцесса обработки, что приводит к необходимости создания кибернетических систем управления на базе ЦВМ.В настоящее время считается целесообразным технологический лазер, как объект управления, разбивать на связанные и взаимодействующие друг с другом подсистемы: 1) Электропитание газовой камеры и юстировка резонатора. 2) Газовакумная, охлаждение и термостабилизации. 3) Фокусирующая. Эта разбивка чисто условная, этих подсистем может быть и больше, поскольку мы имеем кибернетическую систему с иерархическим принципом построения. К указанным подсистемам необходимо добавить дополнительную автоматическую систему управления станком манипулятором (ЧПУ).

Такую систему можно представить в следующем виде:

Обмен между центральной ЦВМ и микропроцессором нижнего уровня иерархии осуществляется через общую шину по установленному протоколу приоритетов. Функции системы управления лазером распределяются в зависимости от объёма операций и вычислений, требуемых для их выполнения между центральной ЦВМ и микропроцессорами нижнего уровня. Управляющее воздействие рассчитывается микропроцессором в соответствии с принятым законом управления и выдаётся на исполнительное устройство.

Центральная ЦВМ может выполнять следующие функции:

• обеспечивать на основании информации от подсистем оптимальной режим работы всей системы;

• формировать реакцию системы управления на аварийный режим работы технологического лазера;

• организовывать выполнения команд оператора;

• выполнять включение и выключение лазера;

• выдавать контролирующую информацию о ходе технологического процесса.