автореферат диссертации по электронике, 05.27.02, диссертация на тему:Электрофизические, теплофизические, термомеханические процессы в электронно-оптических системах ЭВП СВЧ

РГ6 од

2 ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И УПРАВЛЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

»

На правах рукописи УДК 621.385538

Щербаков Юрий Николаевич

Электрофизические, теплофюическне, термомеханкческие процессы в электронно-о1гшчес1гих системах ЭВП СВЧ

Специальность 05.27.02 - "Вакуумная и плазменная электроника"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов -1998

Работа выполнена в Институте проблем точной механики и управления Российской Академии Наук.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Якунин АЛ.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Калинш? Ю.А.,

доктор технических наук, старший научный сотрудник.

Лауреат Госуддрственнон премии Милютин Д Д.

Ведущая организация:

Саратовский государственный технический университет

ЗЬщита диссертации состоится 2 9 июня 1998 г. в 4Ц ч. на заседании диссертационного совета ССК 063.41.01 ~ по специальности 05.27.02 (вакуумная и плазменная электроника) в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410071, Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться п научной библиотеке СГУ.

Автореферат разослан ' май 1998 г.

Ученый секретарь -диссертационного совета доктор фганхо-математнчеетгх наук ■профессор ', -

. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Одним из основных элементов констатации ЭВП является электрон-но-опт!г*1-ская система (ЭОС), которая зо многом определяет основные параметры прибора. Следует отмстить многообразие происходящих в ЭОС физических процессов, способных оказать решающее влияние на работоспособность узла. Помимо электронно-оптических, эго ирелсде всего теп-лофизические и термомехан;;чес:с;ге процессы. Возможно таюхе нарушение электропрочности в виде токо; утечки и электрического пробоя.

В настоящее время совершенствование традиционных ЭВП (ЛБВ, клистронов н т. д.) в значительной мере идет по пути улучшения как мас-согабаритных характеристик, так и параметров группы надежности - та-ие, как наработка на отказ, коэффициент надежности и т. д..

Препятствием для успешного продвижения в этом направлении являются проблемы теплофизического и термомеханического характера, а также возможность электрического пробоя. Такого же рода проблемы имеют место и при разработке качественно новых приборов (например, микрозакуумкых) и ЭВП с рекордными характеристиками (например, сверхмощных гиротронов). Поэтому исследование соответствующих фнзн- " чо. ких явлений в ЭВП представляет большой интерес.

Известно, что экспериментальные исследования теллофизическнх и термомеханических явлений чрезвычайно трудоемки, а погрешность таик исследований довольно высока. К тому же не все параметры физически:-: процессов поддаются экспериментальному исследованию (механические напряжения внутри тел, дифференциация токооседания за счет первичных и вторичных электронов и т, д.). Поэтому компьютерному моделироняшпо в данном случае трудно отыскать альтернативу.

Очевидно, для нодешгроваши теплофизнчесхлх и термомеханических явлений большое значение имеет точность определения тепловых нагрузок. А' поскольку основным источником тепла в ЭВП является элек- ' тронный поток, точность решеншузадачи электронной оптики имеет основополагающее значение.

Анализ состояшш проблемы показал., что указанные задачи решаются по отдельности, разными специалистами, разными программными средствами, что препятствует внедрению в практику проектирования разработанные методик. Отсутствие комплексного подхода не позволяет учи-

тывать имеющую место тесную взаимосвязь физических процессов, должным образом згдовдстворить противоречивым требованиям обеспечения работоспособности с точки зрения электронной оптики, теплофизики, термомеханики и электропрочности. Причем ситуация обостряется в свете постоянного ужесточения требований к массогабаритным характеристикам приборов.

Поскольку электронно-оптические, теплофизические, термомеханические процессы, а также электрогтрочность являются взаимозависимыми, необходим комплексный анализ электронно-оптических систем (ЭОС). Соответствующие исследования должны быть сосредоточены в одних руках, а инструмент этих исследований, программный комплекс, должен быть построен на единой методологической основе и отвечать следующим требо- . ваншш:

1. Эффективности, то есть возможности решения задач с требуемой точностью при минимальных потребностях в ресурсах вычислительной техники.

2. Универсальности, то есть способности на единой методологической основе моделировать широкий крут физических явлении.

3. Высокой степени автоматизации, то есть сведения к минимуму как объема данных, необходимых для построения дискретной модели, так и операции, производимых пользователем.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является комплексное исследование физических процессов в ЭОС, включая электрофизические, теплофизические, термомеханические процессы.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧЙ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Развитие методов моделирования физических процессов, происходящих в ЭОС.

2. Создание программного комплекса, позволяющего на единой методологической основе проводить исследование.широкого.круга физических явлений в ЭОС, а именно: электрофизических, теплофизических, тер-момеханических.процессов.

3. Исследование физических процессов в ЭОС. илдардботка на основе ' анализа их результатов рекомендаций по разработке инструкций ЭОС ЭВП.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Разработан программный комплекс, позволяющий исследовать широкий круг физических явлений в ЭВГ1 пользователям, не являющимся специалистами в области математического моделирования. Проведены исследования физических процессов в узлах конкретных ЭВМ и выработаны рекомендации по совершенствованию их конструкции.

Результтгы работы использовались три разработке и модернизации приборов в ГНПП "Алмаз". НПО "Исток:\ НПО "•Контакт" и в учебном процессе на филиале кафедры "Обшей и прикладной физики" СГУ при ИПТМУ РАН.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Предложен и реализован в виде про1т>а.\;..1 для двумерной области решения алгоритм генерации нерегулярной конечно-элементной сетки (КЭС) с непосредственным построением элементов и основанный на нем метод прямого построении адаптивной кочечно-->лементной сетки. Предложен и реализован экономичный метод интерполяции функции, управляющей работой, генератора КЭС. Проведены исследования эффективности предложенного метода прямого построения адаптивной КЭС.

Разработана методика моделирования электронно-оптических процессов в электронной пушке, основанная на методе, прямого построения адаптивной КЭС. Рассмотрено влияние основных параметров дискретной модели на результаты расчета и выработаны рекомендации по их выбору.

Впервые проведено моделирование термомеханических процессов в катодно-сеточном узле многолучевсл электронной пушки с учетом плас-ТИЧ' гости.

Предложена .методика моделирования многоскоростного электронного потока на входе в коллектор с равномерной по току дискретизацией спектра энергии продольного движения потока и числом^ точек аппроксимации спектра энерг.ш продольного движения электронного потока, равным числу макрочастиц. Проведено исследование эффективности лредло-женной методики.

. Рассмотрена возможность апостериорной оценки качества дискрет-чой модели электронного пучка на основе анализа флуктуации итерационного решения само- лгласованной электронно-оптической задачи.

Впервые проведено комплексное исследование физических явлений в коллекторное узле, вклгочая электронно-оптические, теплофизические, термомеханические-процеесы, а также анализ на электропрочность.

Впервые проведено исследование влияния на работоспособность малогабаритного многоступенчатого коллектора с изолирующими втулками следующих основных конструктивнс-технологических факторов: материалов электродов и оболочки, толщины электродов и оболочки, режима охлаждения оболочки, наличии'отверстий в диэлектрических втулках, геометрических параметров вакуумных зазоров шотятор-оболочка и изолятор-электрод, распределения тепловыделения по поверхности электрода, утла наклона конической части "электрода.

Выработаны рекомендации по повышению теплорассеивающей способности и элсктропрочности малогабаритного многоступенчатого коллектора с изолирующими втулками.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ-ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы. Материал диссертации изложен на 120 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 5 таблиц, библиографию из 140 .тименовашш.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Результаты, работы апробированы на следующих международных, всесоюзных и всероссийских конференциях и семинарах:

1) международной школе-семинаре "Проблемы тепло- и массообмена" (Минск, 1590);

2) международном коллоквиуме " Vortragsreihen der 35" (Ильыенау,

1990);

3) всесоюзном семинаре "Отраслевая наука - производству" (Москва,

1991);

4) международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-92" (Новосибирск, 1992);

5) международной' научно-технической конференции "Актуальные проблем^ электронного приборостроения АПЭП-94" (Саратов, 1994);

6) международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-96" (Саратов, 1996);

7) международной научно-технической конференции "Теория и практика комплексной оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании органических топлив в энергетике и промышленности" (Ташкент, Комп.ДИР, 1991;;

В) 21-ой международной научно-технической конференции ■ "Инфракрасные и миллиметровые волны" (Берлин, 19961;

9) международной конференции "Biomedical Optics Europe" (Будапешт, 1993);

10) международном симпозиуме " Biomedical 6ptics'94" (Лос-Анжелес,

1994);

11) 2-ой Всесоюзной конференции "Методы построения сеток" (Свердловск, 1990);

12) 3-ой Всероссийской конференции "Методы построения сеток" (Челябинск-70, 1992); о

13) на международной конференции "Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 1997);

а также на научных семинарах ИПТМУ РАН и кафедры "Электроники, колебаний и во.ш" СГУ.

Материалы работы опубликованы в 30 статьях, материалах конференций и тезисах докладов. ;

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель, новизна научных результатов работы и выносимые на защиту положения, а также практическая значимость работы и изложено краткое содержание диссертации.

В первой главе проведен краткий обзор литературы по моделированию физических процессор в электронно-оптических системах. Отмечеи значительный вклад в развитие данного научного направления Овчарова В.Т., Блейваса И.М., Невского П.В., Ильина В.П.. Свешникова В.М., Калинина Ю.А., Пенз'жоЕ 1 В.В.. Московского С.И , Григорьева Ю.А., Аля-* мовского И.В., Андрушкевича B.C., Гамаюнова Ю.Г., Рогозина В.И., Якунина А.Н., Кошелева B.C., Шевцова 8.Н.. Жбанова А.И., Голеницкого И.И., Рыбачека В.П., Федяева В.К. и др.. Проведен анализ современных методов генерации сеток. Сформулирована задача генерации качественной ссгки, обеспечивающей за счет рационал^лой топологии эффективное ре-

шение задачи, то есть наилучшее соотношение точности решения и затрат ресурсов.

Во второй главе работы рассматриваются вопросы автоматизации и оптимизации построения дискретных моделей ЭОС. Принимая во внимание, что требованию универсальности наиболее полно удовлетворяет метод конечных элементов, он был принят за основу при построении программного "симплекса, предназначенного для анализа физических процессов в ЭОС. В работе используются сетки треугольных симплекс-элементов, сочетающие простоту и гибкость. Вводится понятие эффективности решения как соотношения точности решения задачи и затрат вычислительных ресурсов. Заметим, что затраты вычислительных ресурсов определяются, главным образом, числом узлов конечно-элементной сепси. Основное внимание уделяется проблеме генерации качественной сетки, способной обеспечить эффективное решение.

Поскольку на практике априори никогда не известна топология оптимальной сетки, для построения сетки рациональной, то есть близкой к оптимальной, топологии служат методы адаптивных сеток. Основная идея их заключается в построении первичной сетки, решении задачи на первичной сетке, анализе результатов решения с точки зрения выбранного критерия качества сетки и построении на их основе рациональной сетки, позволяющей получить более эффективное решение.' При этом следует различать адаптивные методы, основаалые на итерационном перестроении первичной сетки, и методы прямого построения адаптивной сетки. Последние позволяют более полно реализовать возможности адаптации, так как, во-первых, первичная сетка может содержать гораздо меньшее число узлов, чем адаптивная; во-вторых, итерационная перестройка сетки требует значительных затрат машинного времени; в-третьих, перестройка сетки не обеспечивает должной гибкости и хорошей повторяемости результата, поскольку топология адаптивной сетки существенно зависит от выбора первичной сетки, тогда как в методах прямого построения адаптивной сетки первичная сетка догогна обеспечить лишь грубое, качественное (не количественное) решение задачи.

На основе проведенного анализа современных методов генерации сеток сделан вывод о том, что генератор нерегулярной сетки со стягиванием границ и непосредственным построением конечных элементов наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к программному обеспечению, предназначенному дня комплексного исследования ЭОС. Предложен алгоритм оригинального генератора треугольных сеток указанного

типа, основанного на попеременном выполнении следующих двух процедур: 1) построение внутри текущего многоугольника равнобедренного треугольника, основанием которого является текущая сторона текущего многоугольника; 2) разбиение текущего многоугольника отрезком, соединяющим несоседние узлы многоугольника, расстояние между которыми удовлетворяет некоторому условию.

Генератор сетки является всего лишь инструментом, позволяющим строить сетку в соответствии с управляющей функцией. Именно управляющая функция обусловливает качество генерируемой сетки.'Построение управляющей функции может осуществляться как вручную, так и автоматически в рамках метода прямого построения адаптивной сетки, на основе анализа первичного решения.

Предложенный метод решения на адаптивных сетках был реализован в рамках программного комплекса С КЗ МЛ (Система Конечно-Элементного Моделирования и Анализа), позволяющего моделировать широкий круг фшических явлений.

Тестировать предложенного метода было проведено на примере решения уравнения Лапласа в цилиндре с 1раничными условиями первого рода на внешней поверхности и второго рода на пнутренней поверхности. Показано, что применение предложенной методики адаптивной сетки по- . зволяет без увеличения погрешности уменьшить число узлов КЭС по сравнению с равномерной сеткой в 3,7 раза.

Проведен анализ распределения напряженности электрического поля автоэмиссионного катода. Применение метода прямого построения адаптивной сетки позволило существенно уточнить решеьие и сократить число узлов КЭС по сравнению с равномерной сеткой более чем в 5 раз. Отмечена существенная неоднородность напряженности электростатического по--ля у поверхности автоэмисспонного катода, что должно привести к неоднородности автоэмиссии.

Описан предлагаемый метод полуавтоматической оптимизации нумерации узлов КЭС основанный на модернизации графа, соответструто- . щего конечно-элементной сетке, путем введения дополнительны.''', ребер. Проведенные исследования показаРш его способность в некоторых случаях уменьшить максимальную разность между номерами соседних узлов в 1,6 раза, что означает уменьшение числа элементов матрицы разрешающих уравнений. Тем самым повышается эффективность вычислительного про-песса при решении задач теплопроводности, упругости и пластичности и

расширяются возможности анализа сложных конструкций (^национальных узлов ЭВП СВЧ.

В третьей главе рассматриваются проблемы моделирования, физических процессов в электронных пушках.

Описан итерационный метод решения самосогласованной электронно-оптической задачи, основанный на последовательном решения задачи Пуассона и задачи траекторного.апализа.

Рассмотрена проблема моделирования электронно-оптических процессов в электронных пушках. Токоотбор с ка~ода моделируется в двумерном приближении в соответствии с законом Ленгмюра.

Вблизи катода вводятся две концентрические сферические поверхности: фиктивный катод (ФК) и фиктивный анод (ФА). Поверхность ФК разбивается на кольцевые сегменты - площадки эмиссии. Макрочастицы, представляющие собой трубку тока, эмитируются со срединной линии площадки эмиссии. Значение потенциала в формуле Ленгмюра при определении тока макрочастиц подсчитывается в точке пересечения ФА с перпендикуляром к поверхности ФК, проведенным через точку эмиссии.

Реализован способ интегрирования по времени уравнение движения с переменным параметром интегрирования, который принимается равным времени пролета макрочастицы через конечный элемент. Такой подход позволяет корректно рассчитывать пространственный заряд и учитывать распределение напряженности элемростатическога поля. При этом исключается зависимость точности решения как для элеглростатической задачи, так и для траекторного анализа от параметра интегрирования.

Проведены анализ и сопоставление основных источников погрешности решения самосогласованной электронно-оптической задачи на пример-; моделирования токоотйора в сферическом диоде. Путем сопоставления численного и аналитического решения анализировалось влияние не погрешность результата следующих параметров дикеретной модели:, расстояния между ФК и истинным катодом, расстояния между ФК п ФА, параметра релаксации, ччела макрочастиц.

Установлено, что при уменьшении числа макрочастиц ниже некоторого предела, обусловленного густотой конечно-элементной сетки вблизи эмиттера,,прко проявляется дискретный характер распределения пространственного заряда и вблизи катода формируются волнообразные эквипо-тенциали. Причем заниженный потенциал формируется преимущественно вдоль редких траекторий макрочастиц. Значит, потенциал фиктивного анода при расчете тока макрочастицы оказывается заниженным, что и

приводит к резкому уменьшению расчетного токоотбора прй малом количестве макрочастиц. :

Рассмотрено влияние расстояния лежду катодом и ФК на погрешность расчета тока эмиссии. Минимально допустимое значение этого параметра определяется условием касания ФК образующей поверхности катода и является оптимальным. Увеличение же этого параметра до величины, составляющей 2% расстояния между катодом и. анодом, увеличивает погрешность с 1 до 6% .

Наиболее сложной является проблема выбора расстояния между ФК и ФА. По мере уменьшения этого параметра погрешность немонотонно растет и достигает нескольких процентов. Рост погрешности объясняется увеличением относительной погрешности определения потенциала, входящего в формулу Ленгмюра. Немонотонный характер зависимости вызван тем, что ошибка интерполяции потенциала достигает макснмалыого и минимального значения на каждом КЗ». Поэтому соседние одноименные экстремумы отстоят друг от друга lia расстоянии, приблизительно равное размеру ячеек КЭС. При значениях этого параметра, превышающего утроенный размер конечных элементов в прикатодной области, расчетное значение токоотбора перестает меняться, чтр и является критерием для выбора значения параметра дискретной модели.

Описанная методика была апробирована при проектировании дву-ханоднон электронной пушки. С учетом разброса технологических параметров расчетный диапазон эмиссионного тока соста- чл 35,3-37.9 мА, чго хорошо соответствует реальности (35-38 мД). Проведенные в ГШШ "Алмаз" расчеты согласования электронного потока с регулярной облас-17.Ю магнитного полз позволили без экспериментальной доработки получить па реальных приборах токопрохогкдение71 статике fie ниже 99.7%.

Пре;ч„сл ;:пг.глп термомехаш¡ческих процессов катодно-сеточного узла многолучевого прибора. Дсфоргпгровзттс за пределами зоны упругости рассч!ггьпзллос!. из основе теории пластического течения с ¡потрон-ным упрочнением. Анализ показал, что продольное смещение сетки в сторону катода достигает 19 мкм. Вблизи спая медного держателя и молибденовой сетки возникает зона пластических деформаций. H хотя уровень .. • пластических деформаций при единичном цикле нагружения более чем па порядок меньше упругих, при числе циклов включения-выключения 102 наличие пластических деформаций может иметь отрицательные последствия для работоспособности узла.

В четвертой главе предложено решение проблемы комплексного, анализа многоступенчатых коллекторных узлов на основе разработанной единой методологии моделирования разноплановых физических процессов на основе разработанного многофункционального программного комплекса СКЭМА. Исследовались электронно-оптические, теплофизические, термомеханнческне процессы и рассматривалась проблема электропрочности многоступенчатого малогабаритного коллектора с диэлектрическими втулками.

Особенностью данного коллектора является отсутствие так называемых термокомпенсаторов, располагаемых между изолятором и электродом и предназначенных для снижения напряжения растяжения в керамике, возникающего вследствие двух прнчит: разности коэффициента термического расширения материалов изолятора и электрода, а также более высокой температуры электрода.

Отказ от термокомпенсаторов позволяет существенно уменьшить поперечные размеры и массу коллектора, обеспечить более эффективный теп-лоотвод. С другой стироны, остро встает вопрос обеспечения механической прочности. Наличие продольных отверстий в изо.чяторе вызывает концентрацию напряжений и также может иметь негативные последствия д;ш прочности узла, в связи с чем возникает необходимость определения наиболее критичного для механической прочности участка.

С точки зрения электронной оптики особенностью этого электростатического коллектора являются его малые поперечные размеры. Ого девает невозможным реалгаацшо принципа фонтанирования электронного потока и создает серьезные проблемы для осуществления эффективной рекуперации. Поэтому электронно-оптическое проеклтгрование следует проводить особенно тщательно.

Разработана методика моделирования многоскоростного потока (МСП) на входе в коллектор и проведено исследование ее особенностей, которое показало:

1. Устранение вырождения дискретной модели МСП по продольной скорости макрочастиц устраняет и лефизичность расчетной зависимости токооседання от потенциала электрода коллектора, выражающуюся в скачкообразном изменении токооседання. Разработанная методика лучше соответствует эксперименту и количественно, и качественно.

2. Недетерминированный выбор радиальной координаты и радиальной компоненты скорости макрочастицы на каждой итерации делает возможный апостериорную оценку погрешности дискретизации МСй.

3. Дискретизация спектра продольных скоростей МСП равномерно по ток}' позволяет уменьшить число расчетных макрочастиц полее чем в 5 раз, погрешность токооседания в 1,5 раза.

Расчеты, проведенные по предложенной методике, показали, что отклонение расчетного значения токооседания от экспериментального не превышает 10% от величины суммарного тока электронного пучка. Это позволяет полагать, что погрешность определения тепловой нагрузки на секции коллектора столь же мала. Последнее особенно важно ввиду чрезвычайной трудоемкости экспериментального определения распределения теплонагружения по поверхности коллектора. '

Проводилось моделирование теплофизических и термомеханических процессов в коллекторном узле. Исследовалось влияние конструктивно-технологических факторов на уровни температуры и термоупругих напряжений. В частности, установлено следующее:

1. Максимум напряжения растяжения керамики находится в области спая диэлектрической втулки с оболо^сой коллектора.

2. Наличие продольных отверстий вызывает концентрацию напряжений в 1,5 раза и существенно вш^яет на распределение напряжений внутри втулки. I

3. Теплорассеивающая способность коллектора ограничивается пределом напряжения растяжения материала изолятора.

4. Перераспределение токооседания по поверхности электрода не оказывает существенного влияния на работоспособность узла.

Проведено сопоставление результатов модегатрования теплофизических и термомеханических процессов для электродов из МД-50 и меди, которое показало, что в случае электрода из МД-50 существенная часть втулки (до-20% объема) находится в состоянии сжатия, тогда как в случае медного электрода вся втулка находится в состоянии р° стяжения.

Существенное улучшение теплорассеивающей способности коллектора можно добиться за счет применения оболочки из сплава МД-50. В этом случае максимальное напряжение уменьшилось почти в 2 раза.

Разработана методика определения наиболее вероятного места возникновения электрического Пробоя, основанная на методе прямого построения адаптивных конечных элементов. Суть ее заключается в том, что первичное решише ищется на равномерной сетке. Методика адаптивных конечных элементов позволяет автоматически уточнить значение напряженности электрического поля в наиболее интересных с точки зрения возникновения пробоя точках.

Проведенные исследования данного коллектора показали, что максимум напряженности электрического поля находится в окрестности ближайшей ко входу в коллектор точки спая втулки четвертой секции с электродом. Определена разность потенциалов между оболочкой и электродом, при которой следует ожидать возникновения тока утечки. Она оказалась в 1,5 раза выше номинальной. Результаты анализа нашли экспериментальное подтверждение.

С целью выработки рекомендаций для обеспечения электропрочностн коллектора проведены исследования влияния конструкционных параметров секции коллектора на уровень напряженности электрического поля в области спая изолятора и злекгрода. Рассмотрены три базовые конфигурации секции коллектора и определены параметры конструкции, способные в наибольшей мере оказан, влияние на электроппочность коллектора.

Исследования показали, что увеличение ширины зазора между изолятором и оболочкой в 3 раза уменьшает напряженность поля вблизи спая электрода с изолятором на 18%. Увеличение протяженности зазора в области между изолятором и элекхродом в п; одольном направлении приводит к значительному (до 50%) росту напряженности поля в этой области.

Рассмотрена проблема электронрочности коллекторного узла в области между входной первой секцией коллектора и корпусом ЭВП. Максимальная напряженность электрического поля оказалась в области спая электрода с изолятором, хотя пробойное расстояние в этом месте гораздо больше, чем вблизи "носика". Таким образом, максимальная напряженность рлектрического поля находится в области-спая электрода с изолятором, хотя пробойное расстояние в этом месте гораздо больше, чем вблизи "носика". Получить этот результат оказалось возможным только с применением технологии адаптивной сетки, расчет на равномерной сетке показывал максимальную напряженность электрического поля в области "носика".

В заключении подведены итоги проведенных исследований и сформулированы основные результат! " работы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Теплорассеивающая способность малогабаритного многоступенчатого коллектора с изолирующими втулками ограничивается пределом механической прочности на растяжение материала изолятора, кркчем пе-

р ер а определение токооседания по поверхности электрода не вызывает существенного изменения напряженно-деформщюванного со-тояния и не сказывается на работоспособности колл ктора.

2. Применение в малогабаритном многоступенчатом коллекторе с изолирующими втулками электродов из сплава с низким коэффициентом термического расширения и высоким модулем упругости (МД-50) по зволяет существенно (до 20%) уменьшить объем изолятора, находящегося в состоянии растяжения", и несколько пошпить величину максимального напряжения растяжения в изоляторе (в пределах 5%). Существенного понижения максимума напряжения растяжения в изоляторе (почти в 2 раза) можно добиться за счет применения оболочки из сплава МД-50.

3. С точки зрения злектроггрочности коллектора наиболее критичной областью являются зоны вблизи спаев "изолятор-электрод". Уменьшения напряженности электрического поля з этих местах можно достичь путем увеличения зазора между оболочкой и'изолятором и уменьшения протяженности зазора в продельном направлении между изолятором и электродом.

4. В катодно-сеточнсм узл: многолучевого прибора зона пластических деформаций локализована вблизи спая медного держателя с молибденовой сеткой. При единичном цикле нагружения уровень пластических деформаций более чем на порядок меньше упругих. Наличие пластических деформаций может сказаться на работоспособности узла лишь при числе глсслов гкшочення - выключения не мене-; 102.

5. Разработанные методики, алгоритмы и программы обеспечивают комплексный анализ физических процессов в ЭОС ЭВП, включающий электронно-оптические, теплофизические, термомеханическис с учетом пластичности процессы и анализ на электропрочность.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Блейвас И.М., Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Математическая модель для снижения погрешности операт:юного определения параметров СВЧ-гипертермии. В сб." Метролог; •-• прецизионном машиностроении", Саратов, Изд-ви СГУ, 1990.- С.144-145.

2. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Математическая модель анализа теп-лофизических и термомеханических процессов для компьютеризованных

и-

систем неразрушающего контроля. В сб." Метрология в прецизионном машнностроешш", Саратов, Изд-во СГУ, 1990,- С.142-143.

3. Yakunin A.N., Scherbakov Yu.N. The effective algorithm and program of automatic generation of Finite element grid for physical processes modeling in electronic devices: Vortragsreihen der 35. Intern. Wiss. Kolloquium TH Ilmenau, DDR, 1990, Heft 5, s.25-2S.

4. Щербаков Ю.Н., Якунин A.H. Модельное и программное обеспечение для компьютеризованных систем идентификации процессов теплопередачи в сложных объектах // Проблемы i епло- и массообмена в процессах и аппаратах при использовании вторичных энергоресурсов и аль герна-тиьных источников энергии: Материалы Международной школы- семинара (Минск, 18-22 сентября 1990 г.).- Минск: ИТМО имени А.В Лыкова АН БССР, 1990,- С.120-127.

5. Цой А.Н., Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Модели и программы расчета на ПЭВМ радиационного теплообмена в сложных технических объектах // Теория и практика комплексной оптимизации радиационного теплообмена и горения при сжигании органических тоилив в энергетике и промышленности. Ташкент, Комп.АИР, 1991.- С.138-139.

6. Щ чбаков Ю.Н., Якуник <л Н. Анализ напряженно-деформированного '-остояния сеточного узла ЭВП СВЧ с учетом физической нелинейности материалов. В сб. "Современные.проблемы теплофизики, механики и термомеханики в электронном приборостроении", Саратов, Изд-во СПИ, 1991, С. 66-68.

7. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Метод конечно-элементного моделирования ИЭТ с минимальным объемом входной информации. Электронная промышленность. 1991,- Вып. 1.- С.8-9.

о. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Метод построения нерегулярных треугольных адаптивных конечно-элементных сеток и его приложения // Математическое моделирование. - 1992.- Вып.4.- С.109-118.

9. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Пакет прикладных программ СКСМА как инструментальное средство АРМ разработчика электронных приборов: Актуалт ные проблемы -электронного приборостроения АПЭП-92 //Труды международной научно-гехн. конф. - Новосибирск: Изд-во НЗИ, 1992,-Т.1.-4.2.-С.35-40.

10. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Метол расчета электрических характеристик электронных пушек микровакуумных приборов с острийными

' катодами: Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-

92 //Труды международной научно-техн.конф. - Новосибирск: Изд-во НЭИ, 1992.-Т.1.-4.2.-С. 41-45. :

П. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н., Т, чин В.В., Утц С.Р., Ярославский И.В. Моделирование процессов гипертермии биоткани при воздействии низкоинтенсивного лазерного излучения: Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-92 // Труды международной научно- -технлеонф. - Новосибирск: Изд-во НЭИ, 1992,- Т.З. - С. 54 - 58.

12. Scherbakov Yu.N., Tuchin V.V., Utz S.R., Yakunin A.N., Yaroslavsky I.V. Temperature distribution in biotissue under CW low - intensity laser irradistion //' Proc. SPIb, 1992, v. 1646 Laser-Tissue Interaction III.

13. Yakunin A.N., Scherbakov Yu.N. The adaptive finite element program for automatic modelling of thermal processes during laser-tissue interaction II Proceedings of SPIE. - 1993, v. 2077 Laser Tissue Interaction. - P. 1-12.

• 14. Scherbakov Yu.N., Tuchin V.V., Utz S.R., Yakunin A.N., Yaroslavsky I.V. Modelling of temperature distribution iii the skin irradiated by visible laser light // Proc. SPIE, 1993, v. 2082 Quantification and Localisation using Diffused Photon in a Highly Scattering Media.

15. Щербаков Ю.Н., Якунин Л.II., Ярославский И.В., Тучин В.В. Мо-дешгрование тепловых процессов при взаимодействии некоагулирующего лазерного излучения с многослойной биотканью. Часть 1: Теория и модель расчета // Оптика и спектроскопия. - 1994. - Т.76. - Вып. 5. - С. S45 - 850.

16. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н., Ярославский И.В., Тучин В.В. Моделирование тепловых процессов при взаимодействии чекоагулирующего лазерного излучения с многослойной биотканью. Часть 2: Численные результаты // Оптика и спектроскопия. - 1994. - Т.76. - Вып. 5. - С. 851 - 858.

17. Щербаков Ю.Н., Цой А.Н., Якунин А.Н. Технология адаптивных конечных элементов длг решения задач электрофизики в изделиях электронного приборостроения: Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-94 // Тезисы докладов Международной научно- техн. конф,- Саратов: Изд-во СГТУ, 1994. - С. 134 - 135.

18. Никифоров П.В., Хотеев М.А., Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Методика конечно-элементного решения задачи анализа электронной пушки ЭВП О-типа: Актуальные проблемы электронного приборострое-

• ния АПЭП-94 // Тезисы докладов Международной научно- техн. конф.-Саратов: Изд-no СГТУ, 1994. - С. 98.

19. Никифоров П.В., Хотеев М.А., Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Системная автоматизация моделирования электрофизических и термомеханических процессов в электронных приборах: Актуальные проблемы элек-

тронного приборостроения АПЭП-94 // Тезисы докладов Международной научно- техн. конф.- Саратов: Изд-во СГТУ, 1994. - С. i 17.

20. Мясников В.Е., Хмара В.Л., Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Конечно-элементное моделирование теплофизических и термомеханических ripo-цессов в окне вывода энергии сверхмощного гиротрона: Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭГ1-94 // Тезисы докладов Международной научно- техн. конф.- Саратов: Изд-во СГТУ, 1994. - С. 97.

21. Schcrbakov Yu.N,, Yakunin A.N., Yaroslavsky I.V., Tuchin V.V. Combined numerical teelmiques for calculation of light and temperature distribution // Proceedings of SPIE. - 1994, v.2100 Cell and Biotissue Optics: Applica.ions in Laser Diagnostic and Therapy. - P. 82 - 97.

22. Tuchin V.V., Scherbakov Yu.N., Yakunin A.N., Yaroslavsky I.V. Numerical technique for modeling of laser-induced hyperthermia. // Laser-induced Interstitial Thermotherapy. SPIE Institute publication.- 1995, v. IS 13 "SPIE Institute for Advanced Optical Technologies".

23. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Конечно-элементное моделирование эмиссии термокатодг. электронок пушки // Математическое моделирование.-1997,-Вын.1.-С.3-10.

24. М> asnikov V.E., Ншага v.л., Scherbakov Yu.N., Yakunin A.N. Thermal designing of microwave waveguide output unit for millimeter band gyrotron of 1 MW uniform power// Proc. of 21st Lit. Conf. on Infrared and Millimeter Wave, Berlin, 1996.

25. Щербаков Ю.Н., Якунин A.H., Мясников B.E., Хмара В.А. Вопро- . сы снижения прогрешности конечно-элементного моделирования физических процессов при проектировании сверхмощных ЭВП СВЧ: Актуальные проблемы электронного приборостроения /'/ Тезисы докладов Международной научно- техн. конф.- Саратов: Изд-во СГТУ, 1996. - С. 86 - 88.

26. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н., Шалаев П.Д. Физические процессы в многоступенчатом коллекторном узле ЭВП СВЧ: модель, расчет, эксперимент: Актуальные проблемы электронного приборостроения /'/ Тезисы докладов Международной научно техн. конф.- Саратов: Изд-во СПУ, 1996.-С. 81-83. _ '

27. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н., Никифоров П.А., Хотеев М.А. К вопросу оптимальной нумерации узлов дискретных моделей электровакуумных приборов: Актуальные проблемы электронного приборостроения //• Тезисы докладов Международной научно - техн. конф.- Саратов: Изд-во 'СГТУ, 1996. - С. 84 - 86. " '

28. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н. Метод адаптивных конечных элементов и аспекты его применения для решения класса задач о движении заряженных часттяд в упразлшоидтс электрическом и магнитном полях: Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении I! Материалы международной конф. - Саратов, 1997. - С. 46-48.