📄Работа №200789
Тема: МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ И ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА В ИСТОЧНИКАХ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ
Тип работы
Диссертация
Предмет
физика
Объем:
105 листов
Год:
2016
Просмотров:
56
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 12
1.1. Экспериментальные системы источников с плазменным катодом 12
1.2. Математическое моделирование газового разряда 20
1.3. Выводы по первой главе 30
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ПОЛОМ КАТОДЕ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ 31
2.1. Характеристики тлеющего разряда низкого давления в полом катоде .. 31
2.1.1. Самостоятельный режим горения 34
2.1.2. Несамостоятельный режим горения 37
2.2. Нагрев деталей в плазме тлеющего разряда 40
2.3. Моделирование диффузионно-кинетических процессов 42
2.4. Выводы по второй главе 45
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ В ИСТОЧНИКЕ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ СЕТОЧНЫМ КАТОДОМ НА ОСНОВЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 47
3.1. Характеристики разрядной плазмы 48
3.2. Исследование потенциала сеточного электрода в электродной системе
электронного источника с плазменным катодом 51
3.3. Генерация анодной плазмы в режиме усиления тока эмиссии 56
3.4. Пробой ускоряющего промежутка 62
3.5. Выводы по третьей главе 66
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ И ПОТЕРЬ ТОКА ПУЧКА В ЭЛЕКТРОННОМ ИСТОЧНИКЕ С МНОГОАПЕРТУРНЫМ ПЛАЗМЕННЫМ
ЭМИТТЕРОМ 68
4.1. Исследование характеристик разрядной и пучковой плазмы 69
4.2. Исследование потерь тока электронного пучка в диоде и при выводе в
атмосферу 78
4.3. Выводы по четвертой главе 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 92
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 94
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИСТОЧНИКИ С ПЛАЗМЕННЫМ КАТОДОМ
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 12
1.1. Экспериментальные системы источников с плазменным катодом 12
1.2. Математическое моделирование газового разряда 20
1.3. Выводы по первой главе 30
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ В ПОЛОМ КАТОДЕ БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ 31
2.1. Характеристики тлеющего разряда низкого давления в полом катоде .. 31
2.1.1. Самостоятельный режим горения 34
2.1.2. Несамостоятельный режим горения 37
2.2. Нагрев деталей в плазме тлеющего разряда 40
2.3. Моделирование диффузионно-кинетических процессов 42
2.4. Выводы по второй главе 45
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ В ИСТОЧНИКЕ ЭЛЕКТРОНОВ С ПЛАЗМЕННЫМ СЕТОЧНЫМ КАТОДОМ НА ОСНОВЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ 47
3.1. Характеристики разрядной плазмы 48
3.2. Исследование потенциала сеточного электрода в электродной системе
электронного источника с плазменным катодом 51
3.3. Генерация анодной плазмы в режиме усиления тока эмиссии 56
3.4. Пробой ускоряющего промежутка 62
3.5. Выводы по третьей главе 66
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАЦИИ ПЛАЗМЫ И ПОТЕРЬ ТОКА ПУЧКА В ЭЛЕКТРОННОМ ИСТОЧНИКЕ С МНОГОАПЕРТУРНЫМ ПЛАЗМЕННЫМ
ЭМИТТЕРОМ 68
4.1. Исследование характеристик разрядной и пучковой плазмы 69
4.2. Исследование потерь тока электронного пучка в диоде и при выводе в
атмосферу 78
4.3. Выводы по четвертой главе 90
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 92
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 94
📖 Введение
Актуальность работы
В настоящее время находят все большее применение плазменно-пучковые технологии модификации поверхности материалов и изделий. Для этих целей разрабатываются генераторы плазмы и электронные источники с плазменным катодом на основе дугового разряда [1-17].
Эффективная ионная очистка и азотирование поверхности деталей осуществляется в газоразрядной системе на основе несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом большой площади [18-22]. В этой системе напряжение горения разряда порядка сотен вольт, благодаря внешней инжекции электронов обеспечивается регулировка тока разряда и напряжения его горения независимо от давления и сорта рабочего газа. Для эффективной плазменной обработки деталей, расположенных в полом катоде, важным является управление характеристиками несамостоятельного газового разряда низкого давления.
Электронные источники с плазменным катодом на основе дугового разряда с сеточной стабилизацией плазменной границы на основе серии «СОЛО» [1-12], обеспечивают формирование импульсов с длительностью от десятков до сотен микросекунд, амплитудой тока до сотен ампер при энергии электронов в десятки кэВ, предельные плотности энергии 100 Дж/см2 за один импульс и плотности тока (1-10) A/см2 [4-12]. Влияние эмиссии электронов из плазмы на его потенциал, а также наличие ионного тока, поступающего из ускоряющего промежутка на эмиссионный электрод и разрядную систему плазменного катода является характерной особенностью электронных источников с плазменным катодом и сеточным эмиссионным электродом. Это может приводить к нарушению работы плазменного катода в связи с неконтролируемым изменением параметров генерируемого им электронного пучка и, как следствие, пробою ускоряющего промежутка [6,12,17]. Поэтому теоретическое исследование потенциала плазмы и условий пробоя ускоряющего промежутка в электронных источниках с плазменным катодом и сеточной стабилизацией эмиссионной границы плазмы представляет интерес.
Электронные пучки большого сечения, выводимые в атмосферу через выпускные фольговые окна, являются перспективным для использования в научных и технологических целях. Источник электронов с сеточным многоапертурным плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления [23-30], обеспечивает генерацию электронного пучка с площадью поперечного сечения (75x15) см2, энергией (100-200) кэВ, амплитудой тока пучка, выведенного в атмосферу, (2:30) А. Для повышения коэффициента полезного действия источника представляет интерес исследование основных механизмов потерь тока широкоапертурного электронного пучка.
Тематика диссертационной работы, направленная на теоретическое исследование генерации плазмы и электронного пучка в электронных источниках с плазменным катодом, представляется актуальной, поскольку являются актуальными вопросы управления процессами плазменно-пучковой обработки, обусловливающие дальнейшее развитие технологий по улучшению эксплуатационных свойств материалов и изделий.
Цель диссертационной работы - теоретическое исследование с применением численного моделирования генерации плазмы и электронного пучка в источниках с плазменными катодами на основе тлеющего и дугового разрядов низкого давления.
Основные задачи исследований:
1. Построение математической модели и численное исследование несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления в полом катоде большой площади.
2. Теоретическое исследование влияния эмиссии электронов на потенциал плазмы относительно эмиссионного сеточного электрода в электронном источнике с плазменным катодом.
3. Определение механизма пробоя ускоряющего промежутка в электронном источнике на основе дугового разряда с сеточным плазменным катодом в режиме усиления тока эмиссии.
4. Теоретическое исследование генерации плазмы и основных механизмов потерь тока пучка в широкоапертурном электронном источнике с плазменным катодом.
Научная новизна работы заключается в следующем
1. Теоретически с применением численного моделирования показано, что в полом катоде управление основными характеристиками тлеющего разряда (напряжением горения разряда, его током и концентрацией плазмы) при изменении соотношений площадей анода, катода и деталей, находящихся под потенциалом катода, осуществляется током дополнительной инжекции электронов в катодную полость.
2. Теоретически установлено, что в электронном источнике с сеточным плазменным катодом в режиме эмиссии электронов происходит смена полярности напряжения между катодом и эмиссионным электродом, что связано с влиянием ускоряющего напряжения на потенциал плазмы (относительно эмиссионного электрода) и его сильной зависимостью от давления газа. Показано, что в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда с сеточной стабилизацией эмиссионной границы плазмы максимальное значение потенциала плазмы, при котором отсутствует пробой ускоряющего промежутка, в диапазоне давлений рабочего газа (аргон) 0,035:0,1 Па составляет -270:170 В.
3. Численным моделированием показано, что в многоапертурном плазменном катоде увеличение площади маски, расположенной на эмиссионной сетке (Smask - 0,5Sgrid), а также сопротивления в цепи полого анода до R > 10 Ом, позволяет повысить концентрацию разрядной плазмы более чем на 30 %.
4. Численно показано, что потери тока пучка на опорной решетке выпускного фольгового окна связаны с существенной зависимостью оптических характеристик элементарных электронных пучков конфигурации ускоряющего поля в ячейках сетки. При диаметрах отверстий на маске и решетке 8 мм и 15 мм, давлении газа 0,04 Па и плотности тока пучка jb - 0,1 А/см2 потери тока пучка на опорной решетке составляют до 7 %. Теоретически показано, что потери тока пучка за счет ионного тока - менее 1 %.
Практическая значимость работы
Результаты, полученные в диссертационной работе, применялись при анализе экспериментов по генерации плазмы и электронного пучка в плазменных источниках, разрабатываемых в Институте сильноточной электроники СО РАН и могут быть использованы при:
• оптимизации плазменно-химической обработки деталей с помощью технологических факторов несамостоятельного газового разряда низкого давления в полом катоде;
• оптимизации рабочих параметров и режимов работы электронных источников с плазменным катодом с сеточной стабилизацией границы плазмы;
• оптимизации широкоапретурных электронных источников с плазменным катодом и уменьшения энергетических потерь выводимого в атмосферу электронного пучка.
Методы исследования:
Диссертация выполнена при применении аналитического и численного моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Теоретически с применением численного моделирования показано, что управление характеристиками несамостоятельного тлеющего разряда в полом катоде при изменении соотношения площадей анода, катода размещенных в нем деталей осуществляется изменением тока дополнительной инжекции электронов.
2. Теоретически установлено, что в электронном источнике эмиссия электронов из плазменного катода приводит к увеличению потенциала плазмы относительно сеточного электрода, который имеет существенную зависимость от давления газа.
3. Теоретически показано, что пробой ускоряющего промежутка в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда c сеточной стабилизацией эмиссионной границы плазмы в режиме усиления тока эмиссии происходит при превышении потенциала плазмы выше критического.
4. Численным моделированием установлено, что в многоапертурном электронном источнике концентрация разрядной плазмы зависит от сопротивления в цепи анода и площади маски, расположенной на эмиссионной сетке; потери тока пучка на опорной решетке связаны с расширением элементарных пучков в ускоряющем промежутке, обусловленным неоднородностью электрического поля в ячейках эмиссионной сетки.
Апробация результатов
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики ИК ТПУ и доложены на следующих конференциях:
• X (XII, XIII) Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», Россия, г. Томск, 2012 г. (2014, 2015);
• XI (XII) Международная конференция «Газоразрядная плазма и ее применения», Россия, г. Томск, 2013 г. (2015);
• X (XI, XII) Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», Россия, г. Томск, 2013 г. (2014, 2015);
• VI (VII) Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», Россия, г. Томск, 2013 г. (2014);
• X (XII) Международная научная конференция «Радиационнотермические эффекты и процессы в неорганических материалах», Россия, г. Ялта, 2014 г. (2016);
• I (II, III) Международная конференция «Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине», Россия, г. Томск, 2014 г. (2015, 2016);
• Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы», Россия, г. Казань, 2014 г.;
• International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2014), Russia, Tomsk, 2014;
• V Международный Крейнделевский семинар «Плазменная эмиссионная электроника», Россия, Республика Бурятия, 2015;
• VIII International Conference «Plasma Physics and Plasma Technology (PPPT-8)», Belarus, Minsk, 2015;
• 11-ая Международная конференция «Взаимодействие излучений с
твердым телом (ВИТТ-2015)», Беларусь, г. Минск, 2015 г.;
• XX Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР 2015», Россия, г. Томск, 2015 г.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 29 работах, из которых 5 статей в научной периодике, индексируемой международными базами данных (Web of Science, Scopus и др.), 3 статьи в отечественных рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, а также 21 полнотекстовый доклад в трудах международных и всероссийских конференций и симпозиумов.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных зависимостей с
экспериментальными данными и систематическим характером исследований.
Личный вклад автора состоит в проведении аналитических и численных расчетов, сравнительном анализе экспериментальных и теоретических результатов, формулировании научной новизны, защищаемых положений и выводов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Объем диссертации составляет 106 страниц, включая 52 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 97 наименований.
Краткое содержание диссертационной работы
Во введении обоснована актуальность, цель, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Излагается краткое содержание диссертационной работы, формулируются научная новизна и выносимые на защиту научные положения.
В первой главе проведен краткой обзор экспериментальных систем с плазменным катодом и теоретических работ по генерации плазмы и электронного пучка в электронных источниках с плазменным катодом. Проведено описание математической и численных моделей.
Во второй главе теоретически с применением численного моделирования исследована генерация плазмы тлеющего разряда низкого давления в самостоятельном и несамостоятельном режимах горения в полом катоде большой площади. Теоретически показано, что в полом катоде большой площади в несамостоятельном режиме горения тлеющего разряда управление характеристиками разряда при изменении соотношения площадей анода, катода и деталей осуществляется изменением тока дополнительной инжекции в катодную полость. Проведено математическое моделирование процессов горения несамостоятельного разряда, ионизации газа, нагрева деталей (при бомбардировке их ионами плазмы и за счет активных экранов) и диффузии азота в металл. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментом.
В третьей главе теоретически с применением численного моделирования исследована генерация разрядной и пучковой плазмы в электронном источнике с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления. Показано, что в электронном источнике с плазменным катодом взаимосвязь процессов генерации пучковой плазмы в плазменном аноде, созданным электронным пучком, и разрядной плазмы в плазменном катоде, определяется влиянием потока ионов из плазменного анода и ускоряющим напряжением. В режиме эмиссии электронов происходит смена полярности напряжения между катодом и эмиссионным электродом за счет потенциала плазмы (относительно эмиссионного электрода), который имеет сильную зависимость от давления газа. Теоретически показано, что в режиме усиления тока эмиссии амплитуда и форма импульса тока пучка определяются импульсом тока разряда, а также процессами в плазменном аноде, связанными со скоростью объемной ионизации газа электронным пучком и ионно-электронной эмиссией на поверхности эмиссионного электрода и разрядной плазмы. Записано условие пробоя ускоряющего промежутка в режиме усиления тока эмиссии в электронных источниках с плазменным катодом. Получены оценки максимального значения потенциала плазмы, при котором отсутствует пробой ускоряющего промежутка, в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментом.
В четвертой главе исследована генерация плазмы и электронного пучка в электронном источнике с многоапертурным плазменным катодом. Численно показано, что увеличение площади маски в многоапертурном плазменном катоде, а также сопротивления в цепи анода увеличивает эффект электростатической ловушки в разрядной области, что приводит к увеличению концентрации разрядной плазмы. Проведен траекторный анализ электронов, эмитируемых из плазменного катода в ускоряющий промежуток. Аналитически и численным моделированием проведено исследование потерь тока электронного пучка, связанных с расширением поперечного сечения элементарных электронных пучков в ускоряющем промежутке и с ионным током, обусловленным объемной ионизацией рабочего газа и газа, десорбированного с поверхности опорной решетки и фольги. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментом.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
В настоящее время находят все большее применение плазменно-пучковые технологии модификации поверхности материалов и изделий. Для этих целей разрабатываются генераторы плазмы и электронные источники с плазменным катодом на основе дугового разряда [1-17].
Эффективная ионная очистка и азотирование поверхности деталей осуществляется в газоразрядной системе на основе несамостоятельного тлеющего разряда с полым катодом большой площади [18-22]. В этой системе напряжение горения разряда порядка сотен вольт, благодаря внешней инжекции электронов обеспечивается регулировка тока разряда и напряжения его горения независимо от давления и сорта рабочего газа. Для эффективной плазменной обработки деталей, расположенных в полом катоде, важным является управление характеристиками несамостоятельного газового разряда низкого давления.
Электронные источники с плазменным катодом на основе дугового разряда с сеточной стабилизацией плазменной границы на основе серии «СОЛО» [1-12], обеспечивают формирование импульсов с длительностью от десятков до сотен микросекунд, амплитудой тока до сотен ампер при энергии электронов в десятки кэВ, предельные плотности энергии 100 Дж/см2 за один импульс и плотности тока (1-10) A/см2 [4-12]. Влияние эмиссии электронов из плазмы на его потенциал, а также наличие ионного тока, поступающего из ускоряющего промежутка на эмиссионный электрод и разрядную систему плазменного катода является характерной особенностью электронных источников с плазменным катодом и сеточным эмиссионным электродом. Это может приводить к нарушению работы плазменного катода в связи с неконтролируемым изменением параметров генерируемого им электронного пучка и, как следствие, пробою ускоряющего промежутка [6,12,17]. Поэтому теоретическое исследование потенциала плазмы и условий пробоя ускоряющего промежутка в электронных источниках с плазменным катодом и сеточной стабилизацией эмиссионной границы плазмы представляет интерес.
Электронные пучки большого сечения, выводимые в атмосферу через выпускные фольговые окна, являются перспективным для использования в научных и технологических целях. Источник электронов с сеточным многоапертурным плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления [23-30], обеспечивает генерацию электронного пучка с площадью поперечного сечения (75x15) см2, энергией (100-200) кэВ, амплитудой тока пучка, выведенного в атмосферу, (2:30) А. Для повышения коэффициента полезного действия источника представляет интерес исследование основных механизмов потерь тока широкоапертурного электронного пучка.
Тематика диссертационной работы, направленная на теоретическое исследование генерации плазмы и электронного пучка в электронных источниках с плазменным катодом, представляется актуальной, поскольку являются актуальными вопросы управления процессами плазменно-пучковой обработки, обусловливающие дальнейшее развитие технологий по улучшению эксплуатационных свойств материалов и изделий.
Цель диссертационной работы - теоретическое исследование с применением численного моделирования генерации плазмы и электронного пучка в источниках с плазменными катодами на основе тлеющего и дугового разрядов низкого давления.
Основные задачи исследований:
1. Построение математической модели и численное исследование несамостоятельного тлеющего разряда низкого давления в полом катоде большой площади.
2. Теоретическое исследование влияния эмиссии электронов на потенциал плазмы относительно эмиссионного сеточного электрода в электронном источнике с плазменным катодом.
3. Определение механизма пробоя ускоряющего промежутка в электронном источнике на основе дугового разряда с сеточным плазменным катодом в режиме усиления тока эмиссии.
4. Теоретическое исследование генерации плазмы и основных механизмов потерь тока пучка в широкоапертурном электронном источнике с плазменным катодом.
Научная новизна работы заключается в следующем
1. Теоретически с применением численного моделирования показано, что в полом катоде управление основными характеристиками тлеющего разряда (напряжением горения разряда, его током и концентрацией плазмы) при изменении соотношений площадей анода, катода и деталей, находящихся под потенциалом катода, осуществляется током дополнительной инжекции электронов в катодную полость.
2. Теоретически установлено, что в электронном источнике с сеточным плазменным катодом в режиме эмиссии электронов происходит смена полярности напряжения между катодом и эмиссионным электродом, что связано с влиянием ускоряющего напряжения на потенциал плазмы (относительно эмиссионного электрода) и его сильной зависимостью от давления газа. Показано, что в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда с сеточной стабилизацией эмиссионной границы плазмы максимальное значение потенциала плазмы, при котором отсутствует пробой ускоряющего промежутка, в диапазоне давлений рабочего газа (аргон) 0,035:0,1 Па составляет -270:170 В.
3. Численным моделированием показано, что в многоапертурном плазменном катоде увеличение площади маски, расположенной на эмиссионной сетке (Smask - 0,5Sgrid), а также сопротивления в цепи полого анода до R > 10 Ом, позволяет повысить концентрацию разрядной плазмы более чем на 30 %.
4. Численно показано, что потери тока пучка на опорной решетке выпускного фольгового окна связаны с существенной зависимостью оптических характеристик элементарных электронных пучков конфигурации ускоряющего поля в ячейках сетки. При диаметрах отверстий на маске и решетке 8 мм и 15 мм, давлении газа 0,04 Па и плотности тока пучка jb - 0,1 А/см2 потери тока пучка на опорной решетке составляют до 7 %. Теоретически показано, что потери тока пучка за счет ионного тока - менее 1 %.
Практическая значимость работы
Результаты, полученные в диссертационной работе, применялись при анализе экспериментов по генерации плазмы и электронного пучка в плазменных источниках, разрабатываемых в Институте сильноточной электроники СО РАН и могут быть использованы при:
• оптимизации плазменно-химической обработки деталей с помощью технологических факторов несамостоятельного газового разряда низкого давления в полом катоде;
• оптимизации рабочих параметров и режимов работы электронных источников с плазменным катодом с сеточной стабилизацией границы плазмы;
• оптимизации широкоапретурных электронных источников с плазменным катодом и уменьшения энергетических потерь выводимого в атмосферу электронного пучка.
Методы исследования:
Диссертация выполнена при применении аналитического и численного моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Теоретически с применением численного моделирования показано, что управление характеристиками несамостоятельного тлеющего разряда в полом катоде при изменении соотношения площадей анода, катода размещенных в нем деталей осуществляется изменением тока дополнительной инжекции электронов.
2. Теоретически установлено, что в электронном источнике эмиссия электронов из плазменного катода приводит к увеличению потенциала плазмы относительно сеточного электрода, который имеет существенную зависимость от давления газа.
3. Теоретически показано, что пробой ускоряющего промежутка в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда c сеточной стабилизацией эмиссионной границы плазмы в режиме усиления тока эмиссии происходит при превышении потенциала плазмы выше критического.
4. Численным моделированием установлено, что в многоапертурном электронном источнике концентрация разрядной плазмы зависит от сопротивления в цепи анода и площади маски, расположенной на эмиссионной сетке; потери тока пучка на опорной решетке связаны с расширением элементарных пучков в ускоряющем промежутке, обусловленным неоднородностью электрического поля в ячейках эмиссионной сетки.
Апробация результатов
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры прикладной математики ИК ТПУ и доложены на следующих конференциях:
• X (XII, XIII) Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», Россия, г. Томск, 2012 г. (2014, 2015);
• XI (XII) Международная конференция «Газоразрядная плазма и ее применения», Россия, г. Томск, 2013 г. (2015);
• X (XI, XII) Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», Россия, г. Томск, 2013 г. (2014, 2015);
• VI (VII) Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов», Россия, г. Томск, 2013 г. (2014);
• X (XII) Международная научная конференция «Радиационнотермические эффекты и процессы в неорганических материалах», Россия, г. Ялта, 2014 г. (2016);
• I (II, III) Международная конференция «Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине», Россия, г. Томск, 2014 г. (2015, 2016);
• Всероссийская (с международным участием) конференция «Физика низкотемпературной плазмы», Россия, г. Казань, 2014 г.;
• International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2014), Russia, Tomsk, 2014;
• V Международный Крейнделевский семинар «Плазменная эмиссионная электроника», Россия, Республика Бурятия, 2015;
• VIII International Conference «Plasma Physics and Plasma Technology (PPPT-8)», Belarus, Minsk, 2015;
• 11-ая Международная конференция «Взаимодействие излучений с
твердым телом (ВИТТ-2015)», Беларусь, г. Минск, 2015 г.;
• XX Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия ТУСУР 2015», Россия, г. Томск, 2015 г.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 29 работах, из которых 5 статей в научной периодике, индексируемой международными базами данных (Web of Science, Scopus и др.), 3 статьи в отечественных рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ, а также 21 полнотекстовый доклад в трудах международных и всероссийских конференций и симпозиумов.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается удовлетворительным совпадением расчетных зависимостей с
экспериментальными данными и систематическим характером исследований.
Личный вклад автора состоит в проведении аналитических и численных расчетов, сравнительном анализе экспериментальных и теоретических результатов, формулировании научной новизны, защищаемых положений и выводов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Объем диссертации составляет 106 страниц, включая 52 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 97 наименований.
Краткое содержание диссертационной работы
Во введении обоснована актуальность, цель, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы. Излагается краткое содержание диссертационной работы, формулируются научная новизна и выносимые на защиту научные положения.
В первой главе проведен краткой обзор экспериментальных систем с плазменным катодом и теоретических работ по генерации плазмы и электронного пучка в электронных источниках с плазменным катодом. Проведено описание математической и численных моделей.
Во второй главе теоретически с применением численного моделирования исследована генерация плазмы тлеющего разряда низкого давления в самостоятельном и несамостоятельном режимах горения в полом катоде большой площади. Теоретически показано, что в полом катоде большой площади в несамостоятельном режиме горения тлеющего разряда управление характеристиками разряда при изменении соотношения площадей анода, катода и деталей осуществляется изменением тока дополнительной инжекции в катодную полость. Проведено математическое моделирование процессов горения несамостоятельного разряда, ионизации газа, нагрева деталей (при бомбардировке их ионами плазмы и за счет активных экранов) и диффузии азота в металл. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментом.
В третьей главе теоретически с применением численного моделирования исследована генерация разрядной и пучковой плазмы в электронном источнике с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления. Показано, что в электронном источнике с плазменным катодом взаимосвязь процессов генерации пучковой плазмы в плазменном аноде, созданным электронным пучком, и разрядной плазмы в плазменном катоде, определяется влиянием потока ионов из плазменного анода и ускоряющим напряжением. В режиме эмиссии электронов происходит смена полярности напряжения между катодом и эмиссионным электродом за счет потенциала плазмы (относительно эмиссионного электрода), который имеет сильную зависимость от давления газа. Теоретически показано, что в режиме усиления тока эмиссии амплитуда и форма импульса тока пучка определяются импульсом тока разряда, а также процессами в плазменном аноде, связанными со скоростью объемной ионизации газа электронным пучком и ионно-электронной эмиссией на поверхности эмиссионного электрода и разрядной плазмы. Записано условие пробоя ускоряющего промежутка в режиме усиления тока эмиссии в электронных источниках с плазменным катодом. Получены оценки максимального значения потенциала плазмы, при котором отсутствует пробой ускоряющего промежутка, в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментом.
В четвертой главе исследована генерация плазмы и электронного пучка в электронном источнике с многоапертурным плазменным катодом. Численно показано, что увеличение площади маски в многоапертурном плазменном катоде, а также сопротивления в цепи анода увеличивает эффект электростатической ловушки в разрядной области, что приводит к увеличению концентрации разрядной плазмы. Проведен траекторный анализ электронов, эмитируемых из плазменного катода в ускоряющий промежуток. Аналитически и численным моделированием проведено исследование потерь тока электронного пучка, связанных с расширением поперечного сечения элементарных электронных пучков в ускоряющем промежутке и с ионным током, обусловленным объемной ионизацией рабочего газа и газа, десорбированного с поверхности опорной решетки и фольги. Проведено сравнение результатов расчета с экспериментом.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.
✅ Заключение
1. Получено условие горения тлеющего разряда в полом катоде большой площади в несамостоятельном режиме горения. Теоретически с применением численного моделирования показано, что в полом катоде управление основными характеристиками тлеющего разряда (напряжением горения разряда, его током и концентрацией плазмы) при изменении соотношений площадей анода, катода и деталей, находящихся под потенциалом катода, осуществляется током дополнительной инжекции электронов в катодную полость. В несамостоятельном режиме горения тлеющего разряда при удержании плотности ионного тока напряжение горения снижается с 980:600 В до 385:290 В в аргоновой плазме (д = 0,07) и c 770:650 В до 515:370 В в азотной плазме (д = 0,11) при и давлении р = 0,35:1 Па, обеспечивая плотности генерируемой плазмы 3 х 1011 см-3 (азот) и 6 х 1011 см-3(аргон). Численным моделированием показано, что активный экран, окружающий детали, обеспечивая дополнительный нагрев деталей, уменьшает время нагрева деталей до 1 часа.
2. Теоретически показано, что в электронном источнике с сеточным плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления взаимосвязь процессов генерации пучковой плазмы в плазменном аноде, созданным электронным пучком, и разрядной плазмы в плазменном катоде, определяется влиянием потока ионов из плазменного анода и ускоряющим напряжением. В режиме эмиссии электронов происходит смена полярности напряжения между катодом и эмиссионным электродом, что связано с влиянием ускоряющего напряжения на потенциал плазмы (относительно эмиссионного электрода) и его сильной зависимостью от давления газа.
3. Теоретически показано, что в электронном источнике амплитуда и форма импульса тока пучка определяются импульсом тока разряда, а также процессами в плазменном аноде. Эти процессы связаны с объемной ионизацией газа электронами пучка и плазмы, а также с ионно-электронной эмиссией на поверхности эмиссионного электрода и границы разрядной плазмы, ответственной за усиление тока эмиссии в ускоряющем промежутке.
4. Теоретически показано, что в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда с сеточной стабилизацией эмиссионной границы плазмы в режиме усиления тока эмиссии определяющим фактором пробоя ускоряющего промежутка является превышение потенциала плазмы выше критического, при котором происходит пробой слоя плазма - сеточный электрод. В диапазоне рабочих давлений газа (аргон) (0,035:0,1 Па) в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления максимальное значение потенциала плазмы, при котором отсутствует пробой ускоряющего промежутка, соответствует 270:170 В.
5. Численно получено, что в многоапертурном плазменном эмиттере при увеличении сопротивления в цепи анода (до 10 Ом) и относительной площади маски (до 50 % площади эмиссионной сетки), уменьшающей геометрическую прозрачность эмиссионной поверхности, увеличивается концентрация разрядной плазмы (более 30 %) за счет дополнительной ионизации газа отраженными электронами от стенок разрядной полости области.
6. Теоретически с применением численного моделирования показано, что основные потери тока пучка в многоапертурном электронном источнике с плазменным катодом происходят на выпускной фольге за счет отражения и поглощения электронов (более 12 %); потери на опорной решетке, обусловлены расширением поперечного сечения элементарных электронных пучков в ускоряющем промежутке и затеканием плазмы маски при неплотном ее прилегании к сетке (7 %); потери счет ионного тока менее 1 % (при плотности тока 0,1 А/см2 и при давлении газа 0,04 Ра, диаметры отверстий маски и решетки 8 и 15 мм, длина ускоряющего промежутка 12 см). При точной юстировке отверстий в маске эмиссионной структуры и опорной решетке уменьшить потери тока пучка на опорной решетке выпускного фольгового окна можно за счет снижения краевых эффектов отверстий маски.
2. Теоретически показано, что в электронном источнике с сеточным плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления взаимосвязь процессов генерации пучковой плазмы в плазменном аноде, созданным электронным пучком, и разрядной плазмы в плазменном катоде, определяется влиянием потока ионов из плазменного анода и ускоряющим напряжением. В режиме эмиссии электронов происходит смена полярности напряжения между катодом и эмиссионным электродом, что связано с влиянием ускоряющего напряжения на потенциал плазмы (относительно эмиссионного электрода) и его сильной зависимостью от давления газа.
3. Теоретически показано, что в электронном источнике амплитуда и форма импульса тока пучка определяются импульсом тока разряда, а также процессами в плазменном аноде. Эти процессы связаны с объемной ионизацией газа электронами пучка и плазмы, а также с ионно-электронной эмиссией на поверхности эмиссионного электрода и границы разрядной плазмы, ответственной за усиление тока эмиссии в ускоряющем промежутке.
4. Теоретически показано, что в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда с сеточной стабилизацией эмиссионной границы плазмы в режиме усиления тока эмиссии определяющим фактором пробоя ускоряющего промежутка является превышение потенциала плазмы выше критического, при котором происходит пробой слоя плазма - сеточный электрод. В диапазоне рабочих давлений газа (аргон) (0,035:0,1 Па) в электронных источниках с плазменным катодом на основе дугового разряда низкого давления максимальное значение потенциала плазмы, при котором отсутствует пробой ускоряющего промежутка, соответствует 270:170 В.
5. Численно получено, что в многоапертурном плазменном эмиттере при увеличении сопротивления в цепи анода (до 10 Ом) и относительной площади маски (до 50 % площади эмиссионной сетки), уменьшающей геометрическую прозрачность эмиссионной поверхности, увеличивается концентрация разрядной плазмы (более 30 %) за счет дополнительной ионизации газа отраженными электронами от стенок разрядной полости области.
6. Теоретически с применением численного моделирования показано, что основные потери тока пучка в многоапертурном электронном источнике с плазменным катодом происходят на выпускной фольге за счет отражения и поглощения электронов (более 12 %); потери на опорной решетке, обусловлены расширением поперечного сечения элементарных электронных пучков в ускоряющем промежутке и затеканием плазмы маски при неплотном ее прилегании к сетке (7 %); потери счет ионного тока менее 1 % (при плотности тока 0,1 А/см2 и при давлении газа 0,04 Ра, диаметры отверстий маски и решетки 8 и 15 мм, длина ускоряющего промежутка 12 см). При точной юстировке отверстий в маске эмиссионной структуры и опорной решетке уменьшить потери тока пучка на опорной решетке выпускного фольгового окна можно за счет снижения краевых эффектов отверстий маски.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.