автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Моделирование и проектирование газоразрядных электронных пушек с холодным катодом

РГ6 од

- ' ,НР ^П/,КИ1ВСЬКИЙ ПОЛ1ТЕХН1ЧНИЙ 1НСТИТУТ

На правах рукопису УДК 621.325:537.525

МЕЛЬНИК 1гор Вггалжович

МОДЕЛЮВАННЯ ТА ПРОЕКТУВАННЯ ГАЗОРОЗРЯДНИХ ЕЛЕКТРОННИХ ГАРМАТ 3 ХОЛОД НИМ КАТОДОМ

Спещальщсть 05.13.12 — Системи автоматизацп

проектування

АВТОРЕФЕРАТ дясертацИ на здобуття наукового ступени кандидата техн!чних наук

Кшв # КП1 # 1994

Роботою е рукопис

Роботу виконано на кафедр! ЕП та П Ки!вського полпех-шчного шституту.

Науковий кер1вник — доктор техшчних наук, професор,

ДЕНБНОВЕЦЬКИИ С. В.

Офшйш опоненти: — доктор техшчних наук, професор,

АБАКУМОВ В. Г.,

— кандидат техшчних наук, доцент, НОВ1КОВ А. О.

Ведуча оргашзацш: — ВО «Завод Арсенал».

Захист вщбудеться « /г? у^&ШЖ!-1994 р. о

/3 год._хв. в ауд. 412, корп. 12, на зас!данш спещал!-

зовано! Ради К068.14.17 при Кшвському жштехшчному ¡н-статуй за адресою: 252056, м. Кшв-56, пр. Перемоги, 37, корпус 12.

ВЦгук на автореферат у двох примфниках, яш зав1рюють-ся печаткою, просимо надсилати за вказаною адресою на 1м'я вченого секретаря спещалЬовано! Ради.

3 дисертащею можна ознайомитися у б1бл1отещ шституту.

Автореферат розкланий « У^ ».. Я--Р-

Вчений секретар спещалиовано! Ради ,,ЛС|,С|» т п

кандидат техшчних наук, доцент КОБЦЕВ Д.

ь м/ттп

1.1 Нега робот«

Шов дисертац1йног роботи е розробка комплексно! ф1зико-тополо-г1чно» модел! гаоорозрядно! електронно-променеват гармати, и программа рвал!эац1я та розробка методики 1н*енерного проектування гаэо-розряянях елвктронних гармэт. '

* 1.3 Для досягнення поставлено! нет« у дисертацЩи!* робот! сир!~ ; шуються так1 задач» шкттшп-

1. ^риування комплексно! ф1ЭИко-тополог!чно1 модел! газорозряд-1 : но» гармат«.

2. Рооробка програмного кртлвксу, призначенога для моделввання газороорядцйХ гармат.

3. Проведения експериментальних досли«еНь для виэначення ме«1 застосування розроблено» модел( та необкиняк для моделювання параметр! в, а тако* для Вер1ф1каи1г даних моделсвэння.

4- Розробка на основ1 дани* моделювання та експерименту методики Iнщенернога проектування газорозридних гармат.

9. Розробка за запропопэванов методике» гармат з пбкрашеними характеристиками.

1.3 На захист виносяться так! 0СИ0ЯН1 П0Л01ЕНН11:

1. При моделюванн1 електронно-оптичних систем високовольтного тлИочого розряду використання методу трубок струму дозволяв врахувати вплив порцес1в розс!яння та переоаряддення на вих1дн! лараметри еле-

■ ктронного пучка шляхом 1терац1йного зм!ню»ання струма трубки при пе-ретен1 кояно! елементарно! ком!рки с1тки та за рахунок використання апроксимац!йних сп!вв1дношеннь для перетишв колективних взз!мод1й та для електродник процессе, ню значно пЦвищув алекватн1сть модел! та точн!сть моделрвання.

2. Використання для опису геометрН електронно-оптичних систем газорозрядних гармат систем! вх!дних геометричних параметр! в, яка в1дпов1дае вимогам з!мкнутост!, несуперечност!, повноти та одноэнач-ност! опису, дозволяв зШгти використання мовних засоб!в геометрична-го моделввання та п!двиидати над1йн!сть розроблених програмних засова.

3. Використання при моделиванн1 процеса транспортування короткофокусного електронного пучка, формуемого газорозряднои електроннои гарматою, з низького у високчй вакуум дяя визначення енергетичних втрат чисельного алгоритму, основаного на переход! в!д геометричних

та енергетичних характеристик пучка до параметр!в розноюду Гауса дозволяв досягти необхЦно! точност1 розрахунку вих 1 дних параметр 1 в без використапня чисельних метод1в траекторного анализу.

4. 11 електронно-олтичних системах високовольтНого тлшчого роз-ряду з анодное плазмоь та роэышутим холодним катодом, який мае форму сфери/ при максимальних струмах розряду довяина облает 1 катодного па-д1ння не перевиВД® поперечНих роэм!р1в проминку, а поверхня'плазмово! ме«1 концентрична поверхш катода, но дозволяв при моделюванж розг-лядати и як анод в1дпоь1ацо1 конягу ран п.

5. Використапня при транспортуванн) короткофокусных електронних пучк!в,; формуемих газорозрядною электронное гарматою, трубопроводу

, эм1иного перетину з мшмалышм д1аметром 61 ля кросоверу пучка дозволяв отримати максимальней перепад тиску 2-3 порядку при мж1 малыш втратах поту«пост1.

6. Розр15блена методика инженерного проектування газорозрядних електронних гармдГ, яка киотить ириблизний розрахунок енергетичних характеристик гармати, и чиселын? моделивання та експериментальну доробку э рнкористанням аашб]в чисельного моделввання. Методика дозволяв ьиэначити вихШ! параметра електронного пучка засобами чисельного модолювання з урахуванням вплиьу процес! в колективно! вза1М0Дй частой.

г. ЗАГАЛЫМ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИСЕРТАЩИМОГ РШОТИ *

2.1. Актуальн1сть робота ,

У електрониць приладобудуванш та 1нышх галузях промисловост! анаходять широке ьпроьаяження електронно-променев{ засоби терм1чно! ^обробки матер!ал¡в. Це потребуй роэробки та впровадщення технолог¡ч-них електронних джерел, як! використуються для. виконання р1зноман!т-Них технолог)чних операций. Поряд з удосконаленнян традшцйних термо-катодних гармат для вир1шення них науково-техшчних задач розроблю-ються та упроваджуются.у виробництво електронщ джерела на баз1 нових ф1зичниХ принцип!в. .

Перспективними для використапня при проьеденн! технолог!чних операц1й у низькому л 1 середньому вакуум1 у газорозрядш електронно-П(юменов( гармати з холодним катодом, у яких для формування елекцадн-ного лучка використу«тся високовольтний тл1вчий розряд.з ауодною пла амов, Однак. Ф1зичн1 яьища, як! #аить м1сце у ьисоко^ольтному тл1ючо1: разряд!, дуже екдадш та р1:эноман1Тн1, для б'1льшост| э них не тсю <?над1тичного опису, апостаноька задач! .чисельного шмепчве

НЯ високовольтних газорозрядних пристрогв пов'язанз г?! эначними труд-нотами обчислювального характеру.

Iснуют пакети прикладник програм, так! як ЕРА та ТЛУ, шо дозволяет ь моделюеати електронно-оптичн1 системи з р1зноман1тно» геометр!-со ел<?ктрод!в. Овнак безпосерелне використання иих программ« засоб!в для моделшэння газорозрядних електронно-лроменевих гармэт немокли-во, оск!льки в них не врэхован! ус! гологн 1 ф)з«чн1 явша, як1 матть Шсце' у високовояьтному'ТЛ1Л1ЧОМУ рСОрЯД!. У зв'язку э цин. розробка комплексно! ф^ико-топояоИчно} модел1 гзэороэрядно! гарматн, л программа реал1заи1я, створоння методики ¡нженерного проектування газорозрядних гармат та розробка щ запропонсеано» методикою гарчат з покрашенными характеристиками та !х впровад*ення у виробницгво еклаляют АЙТУАЯЬИУ нэуково-техн1чну задачу.

2,2 Метода досл1дження

Шд час виршення поставлен)« у робот! задач викорисгано матема-тичний апарат кшцево-р1зничних метод)в, 1 нтегрвтного та дЦ«?ренц!й-ного обчислквянь, електроджамики, термод1намики, |(зики газового ро-зряду та ф!зики плэзми, теоретнчио! механики. Експориментальн! доеШ-д «гения проеоднлися на сучасиому вакуумному електронно-промеИевому об-ладн*нн1. Обробка результат!в моделювзния та ексдарименту проводилася з використанням метод!в мзтематично! статистики.

2.3, Наукова новизна . ■ .

1.На основ! використання чисельних метод¡в траекторного анаШэу та методов розв'язув?ння алгебри^^ренЩйних .р!»няннь'розроблена ф1зико-тополог!чна модель газорозрядних електронно-промечевих гаг.мят з холодним катодом,; яка мостить модель електронио-оптичних систем ви-соковольтного тлшчого розряду, у як 1Я врзтеьаний вплив розЫяння та перезаряд ¡коння на {Гзраметри формуемого электронного пучка, модель транспоргування ряектронного пучка та модель теплових проиеЫв для основних вузл1в гармати, ш.о дозволяе тдвишити точн1сть моделювання та розробити на основ1 запропоиовэног модмп э ураху'ванням експери-меитальних дослиженнь параметров розряду м*. .шику пшенерного Т)роек--тувэння технолог!чних газорозрядних е.чект[ иних гармат э. холодним катодом.

2. Запропсновано та реал1иованое-{ективний заехб чисельного виз-начення просторового заряду у вузлах к1ниево-р1зницево1 с1тки . я ура-хування'м внливу взаЫод1й зпряджених часток, оснований на методу трубок струму, при чому значения струму 1терац1йно ;?м1нгаться. коли тру-

<5ка пе'ретинае кокну еленентарну ,ком!ркус!тки. Реал!зац!я алгоритму дозволила скоротити час розрахунку самоуэгод*енног задач! на ЕОМ та зменьшити витрати п оперативно! лам'ят1 пор)внянно э використанням широко роаповсвдленного методу макрочасток.

3. ЗапропоноваНа модель транспортування ёлектронного пучка! формуемого газороз рядное електроннои Гарматос, а низького у високий ва-, куум у екв1потенц1ельному канаШ. Модель, яка враховуе ыагн!тне поле . фокусуьчо! л1нзи та вплив эалиикоього газу, дозволяв визначати втрати струму пучка при його транспортуванн! э використанням Переходу в!д' геометричних та енергетичнй* характеристик до параметра розпод!лу Гауса, шо дае мошшеть досягти необА1дно1 точност1 розрахунку без ¡» використання чиселъних метод!в траекторного анап!зу.

4. Експериментально виэначена ааяеяшеть пояоаення та Форш пяа-змово! меж], що е прогорим анодом еяектронно-отично! састеми, в!д режим!в роэряду та в!д геометр)I електрод1в. Встановлеио, но при мак-, симальних струмах розряду, коли вистань плазиа-като* стае меньшое, Н1* поперечний розм!р пром^жку, пяаэмова меха под1бна поверхн! катоду та аабеспечуе формування електронного пучка з $<жусноь в1ддашт> близькос до рад1усу сфери катоду, що використуеться при моделсванн!; роэрядного пром!*ку та дозволяв гНдвишти точн!ть моделювания. !

5. Визначена зале*н!сть д1аметра електронного пучка, формуемого гаэорозряднос гарматою, в!д геометричних параметра електродно! сис-теми та електричник параметр!в розряду. Шшмальний Д1аметр пучка до-сягаеться при зменьшеннг радиуса сфери катоду, при зб1льщенн! приско-рсьчо1 напруги, та при оптимальному струм1 розряду, коли випукла плз-змова меха забеспечуе найкраще фокусування електронного пучка. Отри-ман! результати дозволясть проводите оптим!зац1ю електроно-оптичнвх ристем газорозрядних гармат при чисельному моделваанн1.

6. Методика ¡нженерного проектування електронних гармат мае !те-. рац(йний характер та мустить три основних етапа: розрахунок основних Параметр!в гармати на основ1 одном1рно1 модел! розряду, чисельне модель вання гармати э використанням програмних засоб1в, .та експеримен-тальну доробку койструкцЦ гармати з використанням заеоб!в чисеяьного. моделювання. Методика дозволяй на другому та третьоцу адапах проводи-ти комплексне моделЬвання гармати з урахуванням вгшиьу i4p0u.ee Iв роз-<51яння та перезарядження на'формуемий електронний пучен.

2.4 Практична ц!нн!сть та ьпровадлевня реэуталапг1ь рсбвш

у.дисфгац1йн1й робот! здобуваче* отриман!-.так» вашем придам-

/

н1 реэультати:

1. Розроблена система вх!дних геометричних параметр¡в модел! га-аорозрядног гарматй,4 яка дозволяе описувати геометр!ю доел!джуемих електронно-бптичних систем високовольтного тл!»чого розряду, та В1д-повЦае вимогам повноти, з!мкну?ост!, несуперечност! та однозначност1 опису. Введения запропоновано! сист'еми параметр!в у пакет прикяадних прогрэй, прйзначенйй для моделювання газорозрядних електронних гар-мат, ' дозволяв зб!гтй вйкористання мовних засоб!в геометричного моделювання для опису геометр!I реальнйх електродних систем.

2. Розроблейо пакет прикладних програм, прйзначенйй для Моделю-вання газфоэрядних електронни^ гармат. Необх!дна точн!сть моделпван-ня при незначнйх вйтратах машинного часу та пам'ят1 досягнута завдяки урахуваннв ссноьнйх фгзичних процес!в, як! мають м!сце у вйсоковольт-ному тл!ючому розряд!, використання ефективних алгоритм!в чисельного анал1з^ та иляхом вибору ёЦпов1днйх л1нгв!стичних, програмних та си-стемнйх засоб!в.

3. Остановлено, ею при використанн! иил!ндричного аноду э п!в-сферйчноп основою плазмова межа концентрична повёрхи! катода майже у всьому д]апозон! параметр!в розряду, а кросовер електронного пучка майже сп!вподае э центром с$ери катоду, то значно спрошуе моделсвання гарматй у режим1 малих струм!в та, розширие мокливост! анал!зу реальнйх ©лектронно-оптичних систем. \ -

4. Встановлено, що при транспорту ¡ванн! електронного пучка, формуемого гаэорозрядною га'рматою, у високйй вакуум.найменьш! втрати по-, туиност! досягаються при використанй! трубопроводу зм1иного поперечного перетину з наименьший д!аметром б!ля кроссоверу пучка. При струмах електронного пучка 0,1-1 А та приперепад! тиску 2-3 порядку втрати потуююст! при транспортуваннЗ склйдають 3-5 Я. ■

5. На основ"! пройедёмих тёоретйчнйх та експериментальних досл!д-женнь" за запропоновано» методикой розроблена та "йпровадженй у ьироб-ництво технолог¡чн1 газороз'рядн! електронн!. гарматй: 1 ,

- гармата для зварввання у низькому вакуум! потукн!стс 3 кВт при прискорювчий напру31 30 кВ;. ",','■•<■■'

- гарматй для нанесения покритт!8 складного х!мучного складу потужи! ело 5 та 10 кВт фи прискорювчий напруз! 10 та 15 кВ;

- гёзорозрйдн! електронно-променев! випарникй п6тужн1стю 10 кВт для найесення металевйх покритт!» у високому вакуум! на великогабори-тн1 вироби та на ленту, що рухаеться.

V

N

6. Розроблен! електронно-променев1 гармати реал1зоваш у проми-слоъост1, де вони ьикористуются для електронно-променевового аьарю-вання та для реамИйного осадження д)електричних, оптичних та зм!ц-нввчих покритт1в складного хМчного складу.

. Результата роботи використани пи час ьиконання науков6-дос»и-них держбюджетних та госпдогов!рних*роб)т кафедри ЕП та П КП1 у 19891993 роках та впроваджени у таких установах- 00 "Завод Арсенал",, и. Ки1в, ПВО "Сатурн", м. Ки1в, №0 "Кат1он", м. Хмельницъкий.

2.5 Апробац1я роботи • '

Результат» дисертац»йно! роботи доповЦалися та обговорювалися на Всесоюзна наукоьо-техн1чн1й конференцп "Создание комплексов электротехнического оборудования, высоковольтной, преобразовательной и полупроводниковой техники", м. Москва, 1989 р,; VIII Всесоюзному с1мпоз1умк по силънострумтй електрониц!, м. Свердловськ, 1990 р.; наукоьо-тохн!чн1й конференцН "Ионно-плазменнда технологии получения тонких пленок и покрытий", м. Полтава. 1991 р.: науково-техн!чному* м1жгапузевому сем1нар! "Физические основы и новые направления плазменной технологии в микролектронике", м. Харк1в, 1991 р.; республ!-кансыпй науково~техн1чн1й кон^еренцП "Проблемы автоматизированного моделирования в электронике", м. Кшв, 1993 р.

2.6 Публ1кацИ

Матер;али д!сертац1йно1 роботи виобракеш у 14 друкованих пра-цях С5 статей у' науково-техшчних журналах, 5 авторських св1доцтв та 4 публ)кац!1 тезир1в допов)дей на науково-техшчних семинарах та кон-Ф&режиях). ■

2.7 Структура та розм1р роботи

Д1сертац)йна робота складаеться з вступу, п'яти глав, висновку, ,перел1ку-л!тератури та трьох додатк!в, основний п текст викладено на 184 мзшинописних стор1нках, 1люстровано 53 малюнками та 3 таблицами. Список цитовано! л!тератури м!стить 152 назви.

3. ГОЛОВНИЯ ЗМ1СТ РОБОТИ

У вступи1й частниI роботи розглянуто переваги електронно-проме-невих технолог!» перед традиц1йними методами обробки речовин та мате-р!ал1в, в)дм)чаешься перспектившсть використання гаэорозрядних елек-троииих гармат для проведения технолог 1 мних операц1й у низькому та огредньому вакуум!, але эауважуется на те, то автоматизац1я проекту-ваннч гаэорозрядних гармат та IX вт1лення у виробництво оатримуеться ь1дс/ч'И1сто \х комплексно! фзико-тополопчногмодел! та методики 1х

проектування.

У пцииЛ ч«стин( ро4оти проведен огляд л!тератури по вопросам, чтов'язаних з моделсванням електронних поток!в та електронних джерел, Зауважуеться на 1снування двох р!зних засоб1в ьиршення uiei задач! -- Метод1 в анал1зу та метод i в сНнтеэу. Приведена класиф! каи1 я моделей електронних гармат та послЦовтсть • ix використання на р1эних piBHak Проектування. В1дм!чаеться, що методи с!нтеэу не знайшли широкого ро-фтовсюдження у зв'язку з тим, що не розроблени ефективн! алгоритми ix Ясельноi реал!зац11. Роэглядаються метод !нтегрэльних р!вняннь та Яетод к!нцевих р(зниць . як моклив! ■взр!анти вир!иення задач1 анэШоу-.' Показано, то при анализ! акс!ально-сiметричних електродних систем jó замкнутое межою наЯб!лыи ефектЬвним в метод юниевих р!зниць.

• При р<£эгляденн1 методик розрахунку просторового заряду зауважуЧ ф-ься на те, то найб!льш придатним для анал1зу електронно! та íohhoí оптики при однородност1 поток!в е метод трубок струму. В!дм!чено, щр анал!з електронно-Iohhoi оптики високовольтного тл!ючого роэряду уск-ладнюеться присутн1стю рухомо! меж1 анодно1 плазми, положения та форма яко! залежзть в1д режим!» розряду. У эв'язку з тим, що внрИлення самоузгоджено! задач! визначення розпод1лу електричного поля та Поло-ження плазмово! меж1 пов'язано з! знач'ними обчислювальними трудноща-ми, поставлена задача створення >, комплексно! методики проекту вання газорозряднйх гармат з використання« дасоб!в моделювання та експери-1 ментальних досл1джень. У kíhuí першо! частини робиться висновок про необх!дн!сть створення програмного комплексу, призначеного для ноде^ лювання газорозряднйх гармат, який мусить в!дпов!дати сучасним стандартам на програмне забезпечення для Персональних ЕОМ.

У яруг iй частмн! ровоти приводиться, $13ико-тополог1чна модель електронно-оптичних систем газорозряднйх гармат, яка базуетьсяна р(-: вняннях електроф!эики та може бути записана таким чином:

— + 7s 9rad fs ♦ gr^sfs -

со Г «о

Ts ■ Os í 7s W dvs : Ps - 4S J fstvs) dvs ; Ш

0 0 Pt " Pí ~ Pe : E * ~ * ; div Зг»31 * ' - Pe /co де С$ - функц.я розпод1лу часток, s - сорт часток, qs - заряд одн!ед

—

I 1 Jet

Цастки, - II иаса, - швидк1сть, Т3 - густина струму. Рц - гус~

тина просторового заряду,. При розв'цзувенн! системи Ш вир|шення по-льово) задач! проводилося методой Эейделя, щое одщею з мод!ф!кац!й »ртоду к)нцевих р!ониць, 0ск1льки рри дискретизацП облает! вводилаей к!нцево-р!зницева с)тка з р!зними кронами по осях г та г. були вико^ риетан! найбЦьш повн! форми к| нцево-р1 зницевих сп!вв1дношеннь з пв^ раметром релаксац!I, р!вним 1,15.

Для визначення розпод¡лу просторовогр заряду був використаний метод трубок струму. При иьому з урахуванням сбсягу юнцево-р)зницег во1 ком!рки, а також вх!дного та вихиного струму, мо*на визначити заряд, скоплений у ком!рц!, э урахуванням проЦесу перезарядження. !о-: н!в. 81дпов!дн! чисельц! сшвв1д ношения запишуться у вигляд!:

I.

Р? *

2яг.

/5Г

,4г / 2ас

Уг'Цс.Г

2Я3

ЦсЛ-Цс-!,!

-1

/Ч

гЭ

АГг2- Гд;

* » Ьг

- С 1 Ьр-г); А^ =2яНаС 1 -фг?-

Дг

"с

I?

РкЛ:

р1-

ЫГ

*!р|

-гсис)

¿г Л

л

I 2 Игр

^р! ! ■ р» - рв»

42

Д2

р|' - 2^Гт

4Г.'

де струи трубки, гт" рад!ус п поперечного перетину, г^, - ратч.

#1уев входу та вих^ду трубки $!дносно ос! с!метр!?, и^, - 'впрок*, {

о1цоьа1|! значения потенциалу,. ступень 1он1эаШ1 газу, -ГСШ - функ" ц!я залеююст! перетину перезарядженнь в!д потенШалу, Кур- к!льк!сть »ру&Ж струку, то перетинапть ком1рку к!ние)ю-р1зницей01 с!тки,

1

Для реальних електронно-олтичних систем газорозрядних електроц-Йих гармат з1 сферичное формою катоду та анодами, виконанами у вигля-Д1 цилЫдру, конусу, або цилШдру з п!асферичною основою, розроблеца система, геометричних параметр!в, яка виповиае вимогам несуперечно-' ст!> замкнутост!, повноти та однозност! опису 1 доэволяе проектувал^* йику аб)гти при зэвданш геометр»'! електроднот системи використанця мовних засоб1в геометричного мЬделювання. Для эабеэпечення однознач1 Ност1 та несуперечност! опису на вхиш геометричщ параметри накла-дзлися обмеження, ЯК1 були для кожного типу електродних систем загасай! у вйгляд! математичних неровностей та внесен! у програму контро-" Ня вх^них параметров. Це дозволило забезпечити над1йн!сть роботи Програмного комплексу, призначеного для моделювання електронних гарг мат. -

г Розроблена та впроваджена у програмному комплекс! методика обчи-олення фокальних параметр!в пучка, яку можно представити у вигляд» сП!вв1дношеннь:

Ц СО,5 ви1п] *

10-4 24/3 2 9Г ^ .

) =

ЧдСО.Бв^

«гсг+пг2»2

е22

V2 гпС^)

¿В =

' С»2-»2

П0с1Ь 1п

"шах

т!п

<1г = 1?„

с1 )2 - г Ш2 акп 1 о 1 ^

(3)

гЦ.к) = гС1,к-П - ёг 1дС^С1,кЭ5;

К КП "к * *С1,к-П + <1в

•^"(М = шах апС1.Ю); г„СЮ = агдС0,7 ;

с1КП+' Ь2агдл11пСгпСк)),

де 1,к - параметри дискретизацП по осях г та г в1дпов1Лно, гп - радиус пучка. Jrl - густина струму, ¿КП - в!дстань ллаэма-катод, !?к- ра-

д1ус сфери катоду, в - кут роэс»яння електрощв в!дповино э моделль Розерфорда, 2 - заряд ядра, ц> - кут вльоту електрощв, ге - класич-ниЙ рзл1ус електрону. г - релятив!стський фактор, -

Ца,основ! анал1зу даник моделввання з використанням фенеиолог!-чно1 теорй высоковольтного тл1счого розряду доел!джуеться вплив р1з-номан!тних ф|оичцих процессе та явищ на параметри формуецого пучка.

Доведено, що у аналшуемих системах екранування електричного поля просторовим зарядом íohíb э урахуванням процесу переэарядження насту-! пае при значно меньших параметрах роэряду, н!ж дефокусування елект-ронного пром1ня п1д впливом власного просторового заряду. Проте при обчисленн1 траекторМ часток у б1льшост1 випадк!в не можна використо-1 вувати KOHuenuiD компенсованого пучка, необх1дно враховувати сумарний вплив просторового заряду на роэпод1л електричного поля. Анал1з про-ueciB, що масть MÍcue у аНодн!Я плазм1 при п вза1мод!т э електронним пучком, дозволив зробити висновок, uto при максимзльних струмах розря-ду температуру власних елёктрон!в плазми можна брати в!дпов1дно до енергИ íoHteauii stomí в газу, а концентрацию íohíb в!дпов1дно до тиску та ступен! íoHibauli. Ue дозволяв визначити густину 1онного струму з поверхн1 пдззмово: меж! зг!дно з! ствв1дношенням бому:

jj= o.íenj /2kTe/m¡ £4)

Положения плазмовог Me*i в!дносно катЬду на першому етап! про-ектування визначалося зпдно з одном1рною моделл» розрядного пром!жну та перераховувалося зпдно з реальною геометр i от електродно! системи, а на наступних етапах уточнпвалося на ochobí даних експерииенту.

У трет IА частик i роботм воображен! результата моделювання тран-спортування електронного пучка, теплових npoueciB на електродах та процесу електронно-променевого випарсвання. При моделюванн! транспор-тування електронного пучка з низького у високий вакуум у цилждрично-му, конечному та нел1н!йному трубопровод! розглядалися процеси íohho-го Фокусування, розс!яння електрон!в на атомах остатнього газу та п1нч-ёфекту. Анализ процесу транспортування електронного пучка прово-дився через виршення. системи алгебро-дiференцi йниХ р1вняннь, у яку входили р1вняння вакуумно! техн1ки для визначення значения тиску та р1вняння межово! траекторП електрон!в пучка. Система виршувалась чисельно методом Рунге-Кутта четвертого порядку. Були отриман!граф!-4Hi залежност! тиску в!д э1дстан1, струму в!д в1дстан1 та струмових втрат в1д в!дстан1, а такок мехов! траекторП електрон!в формуемого промшя. При визначенн! струмових втрат буй застасований ефективний алгоритм, оснований на переход! BU енергетичних та геометричних характеристик пучка до параметрiв роэгкШлу Гауса, який дозволяе досйг-ти необх|дно! точност1 роэрахунку без використання чисельних метод1в траекторного анализу. Результат» моделювання показали, по найб!льш .

велик! втрати струму пучка при його транспортуванн! у цшпндричному Трубопровод! мають,м|сце або на вход!, або на виход! , що дае можли-8}сть оптим1зувати геометр!ю трубопроводу з Ц1ллв досягнення максимального перепаду тиску при м!н!мальних втратах потужностк Найменыи! Втрати бут досягнен) при використанн1 трубопроводу зм! иного перетину з м!н!мальним д!амётром б!яя кросоверу пучка.

Анал1з термод)нам!чно| задач) електронно-променевого випарювання метал1в проводився на основ! чисельного вир!шення р^вняння теплового балансу для охолоджуемого волов тигельного вузла при розогр1в! нав!ски дефокусованим електронним пучком, фи цьому враховувалися процеси теплового випром1нювання, теплов1ддач), теплопередач!, ем1с!г вторинних електрошв в поверхн! металу. Вир'шення задач! плавления та випарювання металу проводилося через чисельне 1нтегрування р1вняння теплового балансу методом Рунге-Кутта четвертого порядку В1дпов(дно з розробленим алгоритмом, якяй для кожного кроку !нтегрування м!стив чотири основних !терац1йних етапа:

1. Моделювання нагр1ву електронним променем р!динно! фази Мета-

ДУ.

2. Моделювання процесу теплов!ддач! теплово! енергП в!д риин-нр1 до твердо! фази металу.

3. Обчисяення нового значения температури поверхн1 металу з вра-хуванням результат1в другого етапу.

4. Обчислёння маси випарюемого металу.

Чисельний анал13 показав, що у досл!д*еному д^апозот потужностей час попереднього розогр!ву металу не сильно залежить В1Д потужност! прочий, а швидк)сть випарювання майже у всьому д1апозон! температур эм1нссться незначно. Отриман! залекност! для швикост! випарювання та енергетичног ефективност! випарника дають змогу л1д1брати оптимэльниЯ режим роботи зпдно з необхиними параметрами. Пор^внення результат!» моделювання та експерименту показало, шо точность розрахунку у дос-лиженому д!апозон1 потужностей не перевищуе 10/4, то дозволяв зро-бити висновок про адекватн1сть розроблено! модел!.

Анал!з процесу охояодження катоду показав, що при великих та середах потужностях гармати посередшй контакт його поверхн! з охоло-джувчою р!диною у багатьох випадках може бути неефективним, оаальки ,нагр!в катоду веде до р)зького спаду ефективноеп роботи гарнати. Ог-римано стввиношения для робочог температури катоду.

"„Ш Кк+1к~ / ^ ]осн в ' 1 -- : + —к-+ + к . оси Ав....."р. + V

в2 * агс51п[ гк Г*

180 п2 "к

де Рп - потуюНсть формуемом пучка, у - коеф!ц!ент вторинно! !онно~

електронно! ем1сП, рад1ус сфери катоду, г^- його поперечний роз-м!р, 1к - його товщина, Тр - температура охолоджуйчо'1 р!динй, «р -коефИпент теплопередачи *в , 1В- , *осн . - теплопроводн1сть та довжини вакуумного зазору та основи для установления катоду в!дпов1д-но. Приведене сп!вв!дн0шення дае з'могу провести оценку ефективност! охолодження. Б!льш точний анал!з теплового режиму катоду Проводився через визначення втрат енергИ на його поверю! на основ! чисельних ¡даних анал!зу електронно! оптики. Таким же чином розглядалася ефекти-вн!сть охолодження анодного вузла.

У четвертой частинI ррвоти описана структура розроблених програ-мних ,засоб1в та методи програмно! реал!зац!Г описаний у п<5передн!х розд!лах чисельних алгоритмов. Розглянуто прйнципй побудови розробле-ного пакету, 1нформац1Йн1 та структура зв'язки, а "гакож вйкористан! програмн! та сиситемн1 засоби. Зауважуеться, щодля Ыдтримки д!ало-гового режиму роботи пакет Мае,розгорнуту систему звичайних та !ерар-хIчнйх менв, передбачена можлив!сть представления результат!в модега-ваннй у граф1чному вигляд! з використанням васоб1в !нтерактйвно1 графики. 0писан1 програмн! модул!, призначен! для вир!шення цих задач! Розглядаеться !ерарх1чна структура пакету та основнД Л1нгв1'стичн!, програмн! та сйстемн! засоби, як! дозволили при вир!шенн1 модельних задач досягти оптимального використання ресурс!й ЁОМ ври покращенн! експлуаташйних характеристик програмного комплексу. Приведен! блок-схеми алгоритм!в анал!зу розпод!лу електричного поля, траекторнот задач! та задач! визначення просторового заряду. Розглянуто програмн 1 та сйстемн! засоби, як! були використан» для Мдвищення стаб!лыюст1 роботи програмного комплексу, зокрема анал^зуеться структура файлу обрезки та контролю вхиног ¡нформац!и у якому проводиться перев1р-

Кр. вектору вх!дних данях на IX в!дпов1дн!сть вимогам несуперечност! та однозначНост1 эавданняпочатковйх та иежових умов з боку як ф[эич-них, так ! суто мат&матичних обмежень. ,

Особлив1стй розробленого пакета прикладних програм е реал!эац!я орремймй Модуля»« блок]в розрахунку Нольово» та траекторног задач, иф дозволяв прйсКорети виконання сашузгоджеио! задач! розрахунку |фтенц)ал1в та, трзторЛ часто* за рахунок ©фективного розпод!л/ оперативно» нам* «ri EDM. Але при виконанн! !терац1йно1 процедур» по просторовом? заряду такйй шдх!д Потребув формування проектно-за-я?жних чисельНвХ файл!в, у яких треба эаписуватй значения просторо-вого заряду та потенциал!в, обчислен! на дан)В !терац!1.

При кошЛексному моделюванн! електронно! гармати обчислен! при моделюванн! .електронно! оптики значения струму електронного пром^ня. та Його фокального д!аметру на иаступному етап! можуть бути викорис-TaHi як початков! умови для задач! транспортування електронного про* м!ня, при цьому вони эаписувться до в!дпов1дного файлу вхиних даних. Результата моделювання представляються у вигляд! граф1чних залежное-тей, як! можуть бути записан! до виповшшх файл!в шляхом безпосе-редньо! КОПИ екрану та арх!вацИ записаних даних. Для роботи э 61 б-л 1 отеков проектнйх р),шеннь були створен! спец¡алый файли для оброб-ки, запису та зчитуьання в!дпов!дно1 граф1чно1 !нформа1т. Розробле-ний Пакет був реал1зований на-алгоритм!чн!й mobî Turbo-Pascal 6.0 та використовувався для анал!зу та оптим!зац11 конструкц!й газорозряд-1. них електронних гармат.

У п'*т!Й частинi роботи, приведен! результати експериментальних досл!дженнь ёлектронно-оптичнИх систем високовольтного тл^ючого роэ-ряду, на основ! статистичного анал!зу пор!внгшться теоретичн! та ек-спериментальн! дан!, розглядаеться розроблена методика проектування газорозрядних гармат, представлени вар!анти розроблених конструкц!й, IX TexHiUHi характеристики та можливост1 використання у промислово-ст!. 3 електронно-оптичних параметр1в найб!Льш вакливим е положения пяазмовог мех! в1дносно катода. Це пов'язано з тим, то плазмова межа при моделюванн! розглядаеться як прозорйй анод електронно-оптично! система та I) роэташування впливаё на характеристики гармати. Ексле-рименталыи доосл!дження показали, що при'максимальних струмах розря-ду плазмова меха стае концентричное поверхн1 катода та иэйже не зм!-нюе свого положения, що використовувалОся при комп'ютерному моделюванн! електронно! оптики гармати. Доел!лжувалися також залевюст! фо-

дальних параметр!в"електронного промшя вЦ режим!в розряду. Результат« иих доел»дженнь* показали, що фокусна в встань при максимальних струмах разряду стаб)Л1зусться 1 стае блиэькою до рад!усу сф^ри катоду, а наименьший д«аметр електронного пром1ня досягаеться при змень^ июни! радиусу сферй катоду, при 361лыиенн! прискорвючо1 напруги, та при оптимальному струм! рооряду, колц поверхня плаэмово! ме*1, маючй ткообразну форму, забезпечуе найкраще фокусування електронного пучка. Ц1 експерименгально встановлен! залежност1 були викориета|Н при оптим!зэцИ коиструкц1й гаэораэрядних гармат з викорястанням засоб1в чиселыюго моделювання, Точтсть моделювання залепила В1Д режим!в ро-ботй гармати та для максимальних струм!в роэряду складалэ 20-25%. У йв'язку з ним була розроблена кошлексна теоретико-експериментальна 1нженерна Методика проектування електронних гармат.

Методика метить три посл!довних !терэц!йних етапи;

1. Розрахунок на основ 1 одномерно? модел! високовояьтного тл!о-чого розряду основних параметр!в гармати.

2. Комплексне моделювання гармати з використанням розроблених програмних засоб!в.

3. Експеркментальнз доробка конструкцП гармати з використанням для визначення розпоя Iлу електричного поля та траектор!й часток засо-б(в чисельного моделювання.

Запропонована методика В1др1зняеться В1Д Iснувчих тим, що дозво-ляе на початковому еташ проектування приблизно визначатц основн! характеристики газорозрядних гармат та проводит комплексне моделювання Гармати з використанням розроблених програмних засоб1Б, що веде до скоротшення срок ¡в проектування газорозрядних гармат та до пЩвищення його якост1.

. Приведен! конструкцП эварювальнот гармати потужи!стю 3 кВт та гармат для випарювання потужшетю 5 та 15 кВт, як! ррзроблени за эа-пропонованою методикою з "використанням створених програмних засоб1в,' впроваджени на ряд! п!дприемств електронно! промисловост!, приладо-будування та машинобудування Та мають пор[вняно з тснуючими гарматгмк покрашен! експлуатэцШИ характеристики при виконанн! в1дповЦниз* технолоНчних операШй. \

4. Г0Л0ВН1 РЕЗУЛЬТАТ« РОВОТМ

1. Запропонована комплексна ф!зико-тополог1чйа модель газорозрядних електронних джерел з холодним катодом, яка враховуе специфику головних ф!зичних пориес1в та явит, шо мають м!сце у високовояьтисму

тШсчому розряд», та мостить модель електронно-loHHot оптики, модель транспортування електронного пучка, модель теплових режим!в електро-д!в та модель технолог! чного процесу електронно-променевого випарю-> ваннч метал»в.

2. Эапропонований ефективний алгоритм виэиачення просторового эаряду у ьуэлах к!нцево-р)зницево1 с»тки, оснований на метод! трубок струму, який дозволяв врахувати вплив процес!в розс!яиня та переэа-рядження на параметри електронного пучка.

3. Розробленочисельний алгоритм виршення задач1 транспортування електронного пучка, оснований на перевод! в!д його енергетичних та геометричних характеристик до параметр!в розпод!лу Гауса, який доэво-ляе виэначити еиергетичн» втрати при транспортуванн! без виксристання чисельних метод»в траекторного анал»зу.

4. Роэробленрпакет прикладних програм, який доаволяе проводит« коммплексне моделювання газорозрядних гармат та ьизначати IX основ»») технолог!чн! параметри засобами чисельного моделювання.

5. На основ! експеримецтальних дослиженнь високовольтного тл»~ рчого розряду показано, то при максимальних струмах розряду довжина облает» катодного пад^ня не перевишуе поперечних розм»р»в пром1жку, а плазмова межа паралельна поверхн! катода.

6. Розроблена методика 1нжеиерного проектування газорозрядних гармат, яка дозволяв визнзчати ix основн! параметри методами чисельного моделввання та проводити експериментальну доробку конструкц!« гармат э використанням засоб!в моделювання.

S. Г0А0ВН1 ПУБЛ1КАЦ1Т ЗА. МАТЕР IА ДАНИ ДИСЕРТАЦ1ИН0Г РОБОТИ

1. Тагиль А.Г., Корсун Л.М., Мельник И.В. Экспериментальная установка вакуумного напыления с газоразрядной электронной пушкой. -^естник Киевского политехнического института. радиоэлектроника.

; Вьг1. 26, 1989. - С. 101-103.

2. Мельник В.И.; Мельник И.В., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Авт, свид. N 1501830 С СССР). Кл. H01J 37-4)77. Газоразрядная электронная пушка, 1989. .

3. Кузьмичев А.И., Мельник В.И., Мельник И.В. Авт. свид. N 1529764 (СССР). Кл. С23С 14.-30. - Электронно-лучевой испаритель, 1989.

4. Мельник В.И., Мельник И.В. Авт; сьид.' N 1566872 (СССР), |Oi.C23C 14^30. Электронно-лучевой испаритель, 1989,

5. Денбновецкий. C.B., Мельник В.И., Мельник И.В. Авт. свид.

N 1579323 ССССР). Кл. HOU 37<06, Газоразрядная электронная пушка,, 1989. • . ' .

6. Мельник И.В. ABT, СВИД. N 1658779 ССССР). Кл. H01J 37^077.' Газоразрядная электронная пушка. 1990.

7. Мельник И В. МашинньЛ анализ распределения электрического поля в газоразрядной электронной'пушке..- Вестник Киевского политехнического института. Радиоэлектроника. - Вьп. 27, 1990, - 0. 101-104.

8. Яенбновеакий C.B., Мельник В.И., Мельник Ц й.:. Тугай Б,А. Оптимизация параметров электронной пушки вьсокоролатного тлеющего разряда. - Тезисы докладов VIII Всесоюзного симпозиума по сильноточной Электронике. Часть 1,- Свердловск, 1990, - 0, 251-253.

9. Мельник В.И,, Мельник И.В., Тагиль А.Г., Тугай Б.А. Газораэл рядный электронно-лучевой испаритель. - физические основной новьв направления плазменной технологий в микроэлектронике. Сборник Тезцсо$ докладов научно-технического межотраслевого семинара, октябрь, 1991,' Харьков.- М.= 1991, С. 50.

10. Мельник В.И., Мельник' И. В., Тагиль А.Г,, Тугай Б.А. Электронно-лучевой испарителе для ионно-плазменного. осаждения покрытий, ~ Ионно-плазменньв технологии получения тонких пленок и покрытий. СборНик тезисов докладов научно-технической конференции, 17-20 сентября, 1991, Полтава. - Киев, 1*991. - С. 10-11.

11. Мельник И.В. Проектирование газоразрядной электронной пушки. - Вестник Киевского политехнического института. Радиоэлектроника. Вып. 28, 1991. - С. 75-77.

12. Денбновешшй C.B., Мельник В.И-, Мельник И.В. Численное моделирование основных Физических процессов, протекающих в области катодного падения газоразрядной электронной пушки. " Автоматизация проектирования в электронике. Республиканский межведомственный научно-технический сборник. - 1991, вьп. 43. - С. 46-54.

13. Мельник И.В. Определение параметров газоразрядной электронной пушки методами численного моделирования. - Вестник Киевского политехнического института. Радиоэлектроника. - Вьп. 29, 1992. -С. 74-78. ' . . '

14. Денбновецкий C.B., Мельник В.И., Мельник И.В. Физико-топологическое моделирование газоразрядных электронных пушек. - Проблемы автоматизированного моделирования в электронике. Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции, 2-4 февраля 1993 г. -Киев, 1993. v С. 34.