Моделювання електродних систем газорозрядних гармат з фокусуванням електронного пучка в магнітному полі короткої лінзи

І.В. Мельник, д-р техн. наук, С.Б.Тугай, канд. техн. наук,
В.О. Кирик, І.С. Швед

Національний технічний університет України
«Київський політехнічний ін-т ім. Ігоря Сікорського»
Україна, 03056, Київ, пр-т Перемоги, 37, корп. 12, 2203,
тел. (044) 406 82 92, (044) 204 95 05, 066 981 70 66;
e-mail: imelnik@phbme.kpi.ua

Èlektron. model. 2021, 43(5):76-94

https://doi.org/10.15407/emodel.43.06.076

АНОТАЦІЯ

На основі аналізу базових положень теорії високовольтного тліючого розряду (ВТР) запропоновано методику моделювання електродних систем газорозрядних гармат із фокусуванням електронного пучка в полі короткої магнітної лінзи. Для розрахунку електричного поля в електродній системі використано скінченно-різницеве рівняння Пуассона, яке записано у вигляді арифметико-логічного виразу для спрощення його ви­користання у програмному забезпеченні. Аналіз проходження електронного пучка в області віль­ного дрейфу виконано з використанням системи рівнянь дискретної математики, основаних на моделі розсіювання Резерфорда. Запропоновано алгоритм розрахунку положення фокусу електронного пучка та його фокального діаметра. Для оцінки положення плазмової межі використано метод моделювання, оснований на перерахунку об’єму анодної плазми від одномірної системи до реальної просторової геометрії електродів. За такої умови розрахунок висоти анодної плазми в реальній електродній системі зводиться до аналітичного розв’язування кубічного рівняння. Розрахунок магнітного поля короткої лінзи виконано з використанням моделі Явора. Для реалізації запропонованих методів моделювання гармат ВТР пропонується використовувати арифметико-логічні вирази та методи матричного програмування. Наведено результати розрахунків граничних траєкторій електронного пучка в полі фокусувальної магнітної лінзи, а також розподілу густини струму в фокальній площині порожнистого електронного пучка з кільцевим фокусом.

КЛЮЧОВІ СЛОВА:

технологічні джерела електронів, високовольтний тліючий розряд, анодна плазма, магнітне фокусування.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Grechanyuk M.I., Melnyk A.G., Grechanyuk I.M. et al. Modern electron beam technologies and equipment for melting and phy­si­cal vapor deposition of different materials. // Elektrotechnica and Electronica (E+E), Vol. 49, № 5–6, pp. 115-121.
  2. Mattausch G., Zimmermann B., Fietzke F. et al. Gas discharge electron sources – proven and novel tools for thin-film technologies. // Ibid, 2014, Vol. 49, № 5-6, pp. 183-
  3. Feinaeugle P., Mattausch G., Schmidt S., Roegner F.H. A new generation of plasma-ba­sed electron beam sources with high power density as a novel tool for high-rate PVD. / Society of Vacuum Coaters, 54-th Annual Technical Conference Proceedings. Chicago: SVC, 2011, pp. 202-
  4. Yarmolich D., Nozar P., Gleizer S. et al. Characterization of deposited films and the elect­ron beam generated in the pulsed plasma deposition gun. // Japanese Journal of Applied Physics, 2011, Vol. 50, 08JD03.
  5. Mattausch G., Scheffel B., Zywitzki O. et al. Technologies and tools for the plasma-activated EB high-rate deposition of Zirconia. // Elektrotechnica and Electronica (E+E), 2012, Vol. 47, №5-6, pp. 152-158.
  6. Druzhinin A.A., Ostrovskii I.P., Khoverko Y.N. et al. Low temperature characteristics of germanium whiskers // Functional materials, 2017, 21 (2), pp. 130-136.
  7. Druzhinin A.A., Bolshakova I.A., Ostrovskii I.P. et al. Low temperature magnetoresistance of InSb whiskers // Materials Science in Semiconductor Processing, 2015, 40, pp. 550-555.
  8. Denbnovetskiy S., Melnyk V., Melnyk I. et al. Principles of operation of high voltage glow discharge electron guns and particularities of its technological application // Proceedings of SPIE – The International Society of Optical Engineering, 2017, pp. 10445-10455.
  9. Melnyk I., Tyhai S., Pochynok A. Universal Complex Model for Estimation the Beam Current Density of High Voltage Glow Discharge Electron Guns. // Lecture Notes in Networks and Systems, 2021, 152, pp. 319- https://www.springer.com/gp/book/9783030583583
  10. Каспер Э., Хокс П. Основы электронной оптики. В 2-х томах. Т. 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1993, 552 с.
  11. Каспер Э., Хокс П. Основы электронной оптики. В 2-х томах. Т. 2: Пер. с англ. М.: Мир, 1993, 480 с.
  12. Молоковский С.И., Сушков Д.И. Интенсивные электронные и ионные пуч­ки. М.: Энергоатомиздат, 1991, 304 с.
  13. Szilagyi M. Electron and Ion Optics. Springer Science & Business Media, 2012, 638 p.
  14. Мельник И.В., Починок А.В. Использование матричных алгоритмов для расчета траекторий заряженных частиц и определения фокальных параметров электронного пучка // Електрон. моделювання, 2020, 42, № 1, с. 73—90.
  15. Мельник И.В., Починок А.В. Моделирование источников электронов высоковольт­ного тлеющего разряда, формирующих профильные электронные пучки. // Изв. высших учебных заведений. Радиоэлектроника, 2019, 62, № 6 (684), с. 311—323.
  16. Мельник И.В., Починок А.В. Система конструктивних геометричних параметрів моделі електронних гармат високовольтного тліючого розряду, які формують профільні електронні пучки. // Системні дослідження та інформаційні технології, 2019, №1, с. 50—65.
  17. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1989, 432 с.
  18. Mathews J.H., Fink K.D. Numerical Methods. Using Matlab. Third Edition. Amazon, 1998.
  19. Васильев Ф.П. Численные методы решения экстремальных задач / Учеб. пособие для вузов. М.: Наука, 1988, 552 с.

МЕЛЬНИК Ігор Віталійович, д-р техн. наук, професор кафедри електронних пристроїв та систем Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського». В 1989 р. закінчив Київський політехнічний інститут. Область наукових досліджень — моделювання електронно-променевих технологічних пристроїв, теорія газо­вого розряду, програмування та теорія алгоритмів.

ТУГАЙ Сергій Борисович, канд. техн. наук, доцент кафедри електронних пристроїв та систем Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сікорського». В 2002 р. закінчив Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». Область наукових досліджень — експериментальне дослідження технологічних електронних пристроїв, теорія високовольтного тліючого розряду, електронно-променеві технології.

КИРИК Володимир Олександрович, магістрант кафедри електронних пристроїв та систем Національного технічного університету України «Київський політехнічний інс­титут ім. Ігоря Сікорського». Область наукових досліджень — теорія високовольт­но­го тліючого розряду.

ШВЕД Ірина Сергіївна, бакалавр кафедри електронних пристроїв та систем Націо­наль­ного технічного університету України «Київський політехнічний інститут ім. Ігоря Сі­корського». Область наукових досліджень — теорія високовольтного тліючого розряду

Повний текст: PDF